DE69021563T2

DE69021563T2 - Gasmischvorrichtung.

Info

Publication number: DE69021563T2
Application number: DE69021563T
Authority: DE
Inventors: Thomas Clements; Merton Fallon
Original assignee: McDantim Inc
Current assignee: McDantim Inc
Priority date: 1989-05-02
Filing date: 1990-02-13
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2010-02-14
Also published as: DE69021563D1; US4928850A; EP0471669A4; JPH04504992A; CA2004098C; CA2004098A1; WO1990013511A1; RU2011637C1; KR920701036A; EP0471669A1; EP0471669B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum steuerbaren Mischen von Gasen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Mischen van Gasen, wie Stickstoff und Kohlendioxid, für die Verwendung bei Getränkeausgabesystemen, von denen in einem Vorratsbehälter befindliches Getränk aus diesem Behälter steuerbar abgegeben wird, weil das. unter Druck stehende Gasgemisch in den Behälter eingelassen wird.

Beschreibung des Standes der Technik.

Es ist bekannt, zur Abgabe von Getränken, wie Bier, Ale oder Stout, Kohlendioxid zu verwenden. Es hat sich aber gezeigt, daß für bestimmte Zwecke Vorteile durch die Verwendung von Kohlendioxidgas und einem zweiten Gas, wie Stickstoff, erzielt werden. Durch die Verwendung eines derartigen Gemisches wird z.B. ein Einführen von zu viel Kohlensäure in das auszugebende Getränk vermieden und beim Ausschank von Bier vorteilhafterweise auf dem Bier ein stabiler, cremiger Schaum erzielt.
Die Vorteile der Verwendung eines Gasgemisches aus Stickstoff und Kohlendioxid beim Ausschank von Bier sind zwar seit einiger Zeit bekannt, doch hat es sich als schwierig erwiesen, eine genau arbeitende, zuverlässige und preiswerte unaufwendige Vorrichtung zum Mischen des Stickstoffes und des Kohlendioxids im richtigen Mischungsverhältnis zu konstruieren. Eine für ein derartiges Mischen vorgeschlagene Vorrichtung ist in der an Raynes et al. ausgegebenen US-PS 4 364 493 abgegeben. Wie aus den nachstehenden Beschreibungen jedoch ohne weiteres hervorgeht, sind Raynes et al. an das Problem auf andere Weise herangegangen und haben sie eine Vorrichtung angegeben, die andere Bestandteile aufweist und anders arbeiten als die gemäß der Erfindung verwendeten.
Dank der neuartigen Konstruktion des Gasmischteils der erfindungsgemäßen Vorrichtung können verschiedene Arten von Gasen in beliebigen Mengenverhältnissen genau miteinander gemischt werden. Zum Unterschied von der Vorrichtung nach Raynes et al. kann der Gasmischteil gemäß der Erfindung auf neuartige Weise so eingestellt werden, daß durch eine einfache Manipulation desselben das Mischungsverhältnis der zu mischenden Gase in weiten Bereichen schnell und genau verändert werden kann.

Darstellung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum genauen Mischen eines ersten und eines zweiten Gases in einem einstellbaren Mischungsverhältnis bestimmt. Das erzeugte Gasgemisch wird auf Anforderung automatisch an ein externes System, z.B. ein Getränkeausgabesystem, abgegeben, in dem das Getränk unter dem Druck des Gasgemisches aus einem geschlossenen Behälter abgegeben wird.
Die Vorrichtung besitzt Quellen eines ersten und eines zweiten unter Druck stehenden Gases und drei wichtige arbeitende Teile oder Untersysteme, und zwar einen Durchsatzsteuermechanismus, ein neuartiges im Kräftegleichgewicht arbeitendes pneumatisches Eins-zu-eins-Steuergerät und die zum Mischen der Gase oder zum Teilen der Ströme dienenden Teile.
Der durch ein erstes Gas, wie Kohlendioxid, unter einem vorherbestimmten Überdruck betätigte Drucksteuermechanismus dient zur Steuerung des Stroms des zweiten Gases, wie Stickstoff, zu dem pneumatischen Steuergerät. Durch diesen Mechanismus wird auch der Strom des zweiten Gases zu dem Mischteil der Vorrichtung gesteuert. Gewöhnlich tritt das erste Gas in den Einlaß des Steuermechanismus unter einem Druck ein, der um eine Größenordnung von 10 psi (0,69 bar) höher ist als der für die Abgabe von Getränk aus einem Behälter optimal erforderliche Druck.
Das pneumatische Steuergerät wird durch das aus dem Auslaß des Steuermechanismus strömende zweite Gas gesteuert. Auf eine nachstehend beschriebene Weise bewirkt das zweite Gas eine Steuerung des Stroms des ersten Gases zu dem Gasmischteil. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Tatsache, daß das pneumatische Steuergerät dank seiner neuartigen Konstruktion gewährleistet, daß bei der Zufuhr des ersten und des zweiten Gases zu dem Gasmischteil deren Drücke stets im wesentlichen gleichgehalten werden. Infolgedessen ist es nicht mehr notwendig, die Durchflußregulationscharakteristiken der Zuführungsdruckregler einander anzupassen, mit denen die Zufuhr der Gase von den Gasquellen zu dem System reguliert wird.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist die neuartige Konstruktion des zum Mischen der Gase oder zum Teilen des Stroms dienenden Teils der Vorrichtung. Dieser Teil besitzt einen rohrförmigen Hohlkörper, in dem eine aus gesintertem nichtrostendem Stahl bestehende Hülse dicht montiert ist, die den Hohlkörper in eine innere und eine äußere langgestreckte Kammer teilt. Die gesinterte Hülse ist so fein, daß zwischen den Kammern eine fast vollkommen lineare Gasströmung erzielt wird. Dank dieses neuartigen Merkmals kann die Vorrichtung insbesondere bei relativ niedrigen Gasdurchsätzen mit hoher Genauigkeit arbeiten. Im Betrieb tritt das zweite Gas unter einem gegebenen Druck in die innere Kammer an ihrem ersten Ende ein und tritt das von dem pneumatischen Steuergerät kommende erste Gas in die innere Kammer an deren zweiten oder entgegengesetzten Ende unter dem gleichen, identischen Druck ein. Zwischen den Enden der inneren Kammer ist in dieser ein hin- und herbewegbares kolbenartiges Element gelagert, das an seinem Umfang mit einem O-Ring versehen ist, der sich dichtend an die Innenwandung der gesinterten Hülse anliegt. Da das erste und das zweite Gas in die innere Kammer des Mischmechanismus an deren entgegengesetzten Enden unter gleichen Zuführungsdrücken eintreten, ist die Menge, in der das erste Gas durch die gesinterte Hülse in die äußere Kammer der Einheit strömt, von der Stellung des Kolbens in der inneren Kammer abhängig. Auch die Menge, in der das zweite Gas zum Mischen mit dem ersten Gas in die äußere Kammer strömt, ist von der Stellung des Kolbens in der inneren Kammer abhängig. Durch axiales Verstellen des Kolbens in der inneren Kammer kann die für das Hindurchströmen des ersten und des zweiten Gases zur Verfügung stehende Wandfläche der gesinterten Hülse steuerbar derart verändert werden, daß in der äußeren Kammer das gewünschte Gemisch der Gase erhalten wird. Das Gasgemisch ist auf Anforderung des externen Systems aus der zweiten Kammer erhältlich.
Da das erste und das zweite Gas der inneren Kammer unter demselben Druck zugeführt werden, wird bei einer Anforderung eines Gasstroms durch das externe System durch die Gleichheit der durch die Wand der gesinterten Hülse bewirkten Druckabfälle gewährleistet, daß der Strom jedes der das Gemisch bildenden Gase der für das Hindurchströmen dieses Gases zur Verfügung stehenden Wandfläche direkt proportional ist. Dank der neuartigen Ausbildung des Mischmechanismus und der durch die gesinterte Hülse bewirkten laminaren Strömung bewirkt eine Axialbewegung des Kolbens, durch die die für die Strömung des ersten Gases zur Verfügung stehende Fläche vergrößert wird, daß die die für die Strömung des zweiten Gases zur Verfügung stehende Fläche entsprechend verkleinert wird. Bei dieser Konstruktion kann man auf einfache Weise dem hin- und herbewegbarem, selektiv bewegbaren Kolben eine geeichte Skala zuordnen, von der für jede Stellung des Kolbens in der inneren Kammer die Anteile der das Gasgemisch bildenden Gase in Volumenprozent direkt abgelesen werden können.
In der in den Zeichnungen dargestellten Konstruktion sind mehrere wichtige Sicherheitsfunktionen der Vorrichtung, wie eine Steuerung zum automatischen Abschalten und zum Verhindern eines Rückschlages, verwirklicht. Diese Merkmale werden in den nachstehenden Absätzen näher erläutert.
Angesichts der vorstehenden kurzen Darstellung der Erfindung besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer Gasmischvorrichtung, in der ein erstes und ein zweites Gas in einem genau einstellbaren Mischungsverhältnis ohne weiteres miteinander gemischt werden können und von der das erzeugte Gasgemisch auf Anforderung durch ein externes System automatisch an dieses abgegeben wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Gasmischvorrichtung der vorgenannten Art, in der die Gase genau gemischt werden können, ohne daß versucht werden muß, die Durchflußregulierungscharakteristiken der die Strömung der beiden Gase von den Gasquellen zu der Vorrichtung regulierenden Zuführungsdruckregler einander anzupassen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer in den vorhergehenden Absätzen beschriebenen Vorrichtung mit einem neuartigen im Kräftegleichgewicht arbeitenden pneumatischen Ein-zu-eins-Steuergerät, das mit dem Gasmischteil der Vorrichtung in Strömungsverbindung steht und das von dem ersten Gas unter einem vorherbestimmten, für den Betrieb des externen Systems optimalen Druck betrieben wird. Da das pneumatische Steuergerät in neuartiger Weise im Kräftegleichgewicht arbeitet, dosiert die Vorrichtung den Durchfluß des zweiten Gases zu dem Mischteil unter einem Druck, der dem Betriebsdruck des ersten Gases stets im wesentlichen gleich ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der beschriebenen Art zu schaffen, in der der Gasmischteil der Vorrichtung das Gas von einer der Gasquellen unter einem für den Betriebsdruck des Zuführungssystems optimalen Druck empfängt, das andere Gas von dem pneumatischen Steuergerät unter demselben Druck empfängt und dann die beiden Gase genau in einem Mischungsverhältnis mischt, das durch die Stellung einer mechanisch einstellbaren kolbenartigen Einrichtung bestimmt wird, die in dem Gasmischteil dichtend angeordnet ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der in den vorhergehenden Absätzen beschriebenen Art zu schaffen, in der der Gasmischteil eine gesinterte Hülse aufweist, die so ausgebildet ist, daß eine laminare Strömung der Gase durch die Hülse in eine Gasmischkammer gewährleistet ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung mit eingebauten, miteinander verriegelten Sicherheitseinrichtungen zu schaffen, durch die ein Strömen des ersten oder des zweiten Gases oder eines unrichtigen oder ungesteuerten Gemisches der beiden Gase in das externe System zwangsschlüssig ausgeschlossen wird. Es versteht sich, daß selbst ein nur zeitweiliges Strömen eines einzelnen Gases oder eines unrichtigen Gemisches der beiden Gase in das gegenüber dem Faß externe System die Qualität aller zu diesem Zeitpunkt in dem System befindlichen Produkte ernstlich beeinträchtigen würde. Ferner versteht es sich, daß die produktschädigenden Bedingungen eintreten, wenn das Druckgas in einem der Behälter in normaler Weise verbraucht worden ist. Ferner findet ein Abfall oder eine Veränderung des Quellendruckes des einen oder des anderen Gases normalerweise unter Bedingungen statt, unter denen sich das System nicht in einem vollkommen statischen Gleichgewicht befindet.
(1) Zum Beispiel nimmt einer der Gasdrücke ab, wenn eine der Zuführungsquellen erschöpft worden ist, und nimmt er zu, wenn in der Regulierung der Quelle ein Driften oder eine andere Regulierungsstörung auftritt.
(2) Infolge eines absichtlichen oder unabsichtlichen Schließens (oder Öffnens) eines Steuer- oder Absperrventils der Quelle gleichzeitig mit dem Steuer- oder Absperrventil der anderen Quelle, z.B. zum Schließzeitpunkt, Öffnungszeitpunkt, beim Abschalten des Systems zum Vorbereiten eines Flaschenaustauschs, beim Wiederinbetriebsetzen des System nach dem Flaschenaustausch, und dergl.
Da jedes Ungleichgewicht der Quellendrücke unvermeidbar dazu führt, daß unrichtig gemischte Gase in das System eintreten und zu produktschädigenden Wirkungen führen, muß zum Aufrechterhalten der Produktqualität unter allen Umständen dafür gesorgt werden, daß alle normalen Maßnahmen zum Herstellen und Trennen von Verbindungen, zum Austausch von Flaschen, zum Einstellen des Systemdrucks, zur Inbetriebnahme und zum Inbetriebsetzen und Abschalten des Systems nur von hochqualifiziertem Bedienungspersonal ausgeführt werden. Da es in der Praxis funktionell nicht möglich ist, dieses Personal fortlaufend zu überwachen und genau auszubilden, müssen für das System miteinander verriegelte automatische Einrichtungen vorgesehen sein, die auf ein Ungleichgewicht der Quellendrücke durch ein automatisches Abschalten ansprechen. Diese Verriegelungen können natürlich durch hinzugefügte externe Hardware auf verschiedene Weise und mit verschiedenen Mechanismen bewirkt werden. Es können aber alle dafür vorgesehenen Einrichtungen gestört sein oder entfernt werden, so daß dann die Mischvorrichtung während der langen oder kurzen Zeit des Ungleichgewichts ungemischte oder unrichtig gemischte Gase abgibt und daher die Produktqualität bleibend geschädigt wird. Für einen zuverlässigen und für das Produkt vorhersehbar sicheren Betrieb ist es entscheidend, daß die Verriegelungseinrichtungen automatisch arbeiten, in dem Mischsystem oder der Hardware eingebaut und nicht davon entfernbar sind und sehr zuverlässig oder ausfallsicher sind. Derartige Verriegelungseinrichtungen sind in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung der in den vorhergehenden Absätzen beschriebenen Art, in der insbesondere bei niedrigen Gasdurchflußraten durch die Vorrichtung eine hervorragende Mischgenauigkeit erzielt wird, ohne daß bei den maximalen Gassdurchflußraten der Druck unzulässig stark abfällt. Zu diesem Zweck werden in der die in die Vorrichtung strömenden Gase steuerbar mischenden Gasmischeinrichtung eine erste und eine zweite Stufe vorgesehen. Insbesondere wird in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Gesamtgasdurchsatz auf zwei Stufen aufgeteilt, von denen die eine die Stufe für einen niedrigen Gasdurchsatz und die andere die Stufe für einen hohen Gasdurchsatz ist.
Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch die Erfindung gelöst, von der eine Ausführungsform in den Zeichnungen dargestellt und in den nachstehenden Absätzen beschrieben ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine allgemein schematische Darstellung einer gemäß der Erfindung zu verbessernden Gasmischvorrichtung.
Figur 2 ist eine allgemein schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasmischvorrichtung.
In Figur 1 der Zeichnungen ist eine Ausführungsform der Erfindung zur bedarfsweisen Abgabe eines Gasgemisches an ein externes System dargestellt. Gemäß den Zeichnungen bildet die Vorrichtung einen Teil eines Getränkeausschanksystems für den Ausschank von Bier aus einem Faß. Die Vorrichtung umfaßt eine Quelle eines ersten unter Druck stehenden Gases 12, wie Kohlendioxid, eine Quelle eines zweiten unter Druck stehenden Gases 14, wie Stickstoff, und drei wichtige arbeitende Untersysteme.Zu diesen in der Praxis in einem geeigneten Gehäuse angeordneten arbeitenden Untersystemen gehören ein Drucksteuermechanismus 16, ein im Kräftegleichgewicht arbeitendes pneumatisches Eins-zu-eins-Steuergerät 18 und eine Gasmisch- oder Stromteileinrichtung 20. Die Einrichtung 20 dient zum steuerbaren Mischen des ersten und des zweiten Gases und steht mit dem in Strömungsverbindung mit dem Faß oder dem geschlossenen Behälter 22, aus dem das Getränk unter dem Druck des Gasgemisches ausgeschenkt werden soll. Der Behälter 22 ist seinerseits in einer für den Fachmann bekannten Weise mit einer Ausschankventilanordnung oder einen Bierzapfkopf verbunden. In dieser Anordnung strömt auf Grund einer Anforderung des externen Systems das Gasgemisch von der Gasmischeinrichtung 20 durch eine Leitung 24 in das Faß 22, aus dem das Bier über den Zapfkopf F1 herausgedrückt wird.
Gemäß dem unteren Teil der Figur 1 weist die Gasmischeinrichtung oder der Gasmischmechanismus 20 ein Gehäuse 26 mit einer ersten oder inneren Kammer 28 und einer zweiten oder äußeren Kammer 30 auf. Diese Kammern sind voneinander durch ein poröses Element getrennt, das hier aus einer Hülse 32 aus gesintertem nichtrostendem Stahl besteht. Die Hülse 32 ist rohrförmig und liegt an ihren Enden mit elastomeren O-Ringen oder anderen geeigneten Dichtmitteln an Innenwandungen des Gehäuses 26 dicht an. Die Hülse 32 besteht aus einem Werkstoff mit einer Vielzahl von sehr feinen Poren, die gewährleisten, daß sie von Gasen in einer im wesentlichen vollkommenen laminaren Strömungdurchströmt werden. In dieser Ausführungsform besteht die äußere Kammer 30 aus einer langgesteckten ringförmigen geschlossenen Kammer, die nur durch die kleinen Poren der gesinterten Hülse 32 nur mit der inneren Kammer 28 kommunizieren kann.
In der inneren Kammer 28 ist eine hin- und herbewegbare Einrichtung oder eine Kolbenanordnung 34 vorgesehen, die in der Kammer 28 aus einer ersten in eine zweite Stellung axialbewegbar ist und daher die innere Kammer in einen ersten Teil 28a und einen zweiten Teil 28b unterteilt, deren Volumenproportional veränderbar ist. In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung besitzt die Kolbenanordnung 34 einen langgestreckten Schaft 36, der am einen Ende ein kolbenartiges Element 38 trägt, das an seinem Umfang einen nachgiebig steifen elastomeren O-Ring 40 aufweist, der mit der Innenwandung der Hülse 32 in Gleitberührung steht. Der Schaft 36 ist in genau bestimmbaren Teilschritten derart axialbewegbar, daß der Kolben 38 in der Kammer 28 in sehr kleinen, genau steuerbaren Teilschritten axialbewegbar ist.
Ein wichtiger Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das im Kräftegleichgewicht arbeitende pneumatische Eins-zu-eins- Steuergerät 18. Der Einlaß des pneumatischen Steuergeräts 18 steht über die Leitung 44 mit der ersten Gasquelle 12 in Strömungsverbindung. Ferner steht das Steuergerät 18 mit der zweiten Gasquelle 14 in Strömungsverbindung über eine Leitung 46, die über eine Leitung 48 mit einer Steuereinrichtung 16 in Strömungsverbindung steht. Wie nachstehend beschrieben wird, dient das zweite Gas 14 auf neuartige Weise als das Betätigungsgas, das das Steuergerät derart betätigt, daß das erste Gas zu der Gasmischeinrichtung strömen kann.
Die grundlegende Funktion des pneumatischen Steuergeräts besteht darin, auf Grund einer durch die Abgabe des Getränks aus dem Behälter 22 bewirkten Anforderung das erste Gas 12 an die Gasmischeinrichtung 20 abzugeben. Insbesondere hat das Ein-zu-eins-Steuergerät die Aufgabe, über eine Leitung 50 das erste Gas 12 an den Teil 28b der Kammer 28 des Gasmischmechanismus unter einem Druck abzugeben, der genau dem Zuführungsdruck des zweiten Gases 14 entspricht, das durch die Steuereinrichtung 16 und die Leitung 51 in die Kammer 28a der Gasmischeinrichtung strömt.
Das erfindungsgemäße pneumatische Steuergerät 18 besitzt einen Hohlkörper 52 mit einem ersten Teil 52a und einem zweiten Teil 52b und eine erste Membran 54, die in dem zweiten Teil 52b montiert ist und ihn in eine erste Druckkammer 56 und eine zweite Druckkammer 58 teilt. Die Kammer 56 steht über die Leitung 46 mit dem Durchflußsteuermechanismus 16 und die zweite Kammer 58 steht über die Leitung 50 mit der Gasmischeinrichtung in Strömungsverbindung.
Die Ventileinrichtung des pneumatischen Steuergeräts 18 ist neuartig ausgebildet und besitzt eine erste Druckbeaufschlagungseinrichtung 60, die mit der Membran 54 in Wirkungsverbindung steht und den Strom des ersten Gases 12 in die Kammer 58 steuert. Wenn die Membran 54 unter dem auf sie von dem durch die Leitung 46 strömenden zweiten Gas 14 ausgeübten Druck aus ihrer ersten oder Ruhestellung in ihre ausgelenkte zweite Stellung bewegt wird, bewegt sich die Druckbeaufschlagungseinrichtung 60 aus einer Schließstellung in eine Offenstellung. Eine Vorbelastungseinrichtung, die hier in Form einer zwischen der Membran 54 und einem in dem Hohlkörper 52 ausgebildeten Federwiderlager 64 angeordneten Schraubenfeder 62 dargestellt ist, setzt der Bewegung der Membran zu ihrer zweiten Stellung hin einen nachgiebigen Widerstand entgegen.
Ein neuartiges Merkmal der Druckbeaufschlagungseinrichtung 60 ist die Ausbildung des hohlen Rohrs 68, das mit der Membran 54 in Wirkungsverbindung steht und das im Zusammenwirken mit einem elastomeren Sitz 70 den Durchfluß des ersten Gases 12 durch die Vorrichtung zwangsschlüssig steuert. Im Innern des Rohrs 68 erstreckt sich eine Kammer bis zu einer sehr scharfen Umfangskante 69, die sich in der Schließstellung der Ventileinrichtung unter Druck an den Sitz 70 anlegt und dadurch eine lecksichere Absperrung bewirkt. Mit der scharfen Kante 69 kann zwar eine lecksichere Abdichtung äußerst wirksam erzielt werden, sie kann aber auch den Sitz 70 stark beschädigen, wenn der Aufprall der Kante auf dem Sitz nicht abgefedert wird. Damit die erforderliche Abfederung erzielt wird, ist der elastomere Sitz 70 derart federbelastet, daß bei einem Angriff der scharfen Kante des Zylinders 68 an dem Sitz unter einer beträchtlichen Kraft der Sitz sich gegen den Widerstand einer zweiten Vorbelastungseinrichtung bewegen kann, die aus einer Schraubenfeder 72 besteht, die in dem Teil 52a des Körpers 52 des Mechanismus angeordnet ist. Wenn in dieser Ausführungsform die Ventileinrichtung geschlossen wird und die scharfe Kante 69 des zylindrischen Körpers dichtend an dem elastomeren Sitz 70 angreift, wirkt die Feder 72 als ein Stoßdämpfer, der eine gewisse Bewegung des Sitzes gestattet, damit er keine Beschädigung erfährt, durch die seine Wirksamkeit als zwangsschlüssig wirksame fluiddichte Dichtung beeinträchtigt werden würde. Durch diese wichtige Sicherheitsfunktion wird gewährleistet, daß das Steuergerät zwangsschlüssig und sehr zuverlässig lecksicher abgesperrt wird.
Der Drucksteuermechanismus 16 weist in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ein hohles Steuerventilgehäuse 76 auf, in dem eine zweite Membran 78 montiert ist. Die Membran 78 unterteilt das Gehäuse 76 in eine erste Kammer 80 und eine zweite Kammer 82. Die erste Kammer 80 hat einen Einlaß, der mit der Quelle des ersten Gases 12 über eine Leitung 74 in Strömungsverbindung steht, die ihrerseits mit der Leitung 44 verbunden ist. Die zweite Kammer 82 hat ebenfalls einen Einlaß, der über eine Leitung 86 mit der Quelle des zweiten unter Druck stehenden Gases 14 strömungsverbunden ist. Die zweite Kammer 82 steht über eine Ventileinrichtung mit einer Kammer 83 in Strömungsverbindung. Die Kammer 83 ist mit einem Auslaß 87 versehen, der über eine Leitung 51 mit der Gasmischeinrichtung 20 und über Leitungen 46 und 48 mit dem pneumatischen Steuergerät 18 in Strömungsverbindung steht.
Der arbeitende Teil der Drucksteuereinrichtung 16 ist eine zweite Druckbeaufschlagungseinrichtung 90, die mit der Membran 78 in Wirkungsverbindung steht. Die Einrichtung 90 steuert den Durchfluß des zweiten Gases 14 aus der Kammer 82 in die Kammer 83 und von dort zu dem pneumatischen Steuergerät, wenn sich die zweite Membran 78 unter der Wirkung des auf sie von dem ersten Gas 12 ausgeübten Druckes aus einer ersten oder geschlossenen Stellung in eine zweite oder offene Stellung bewegt. Diese zweite Druckbeaufschlagungseinrichtung besitzt ein Ventilelement 92, das durch einen Verbinder 94 mit der Membran 78 verbunden ist. Bei geschlossenem Ventil liegt ein elastomerer O-Ring 93 des Ventilelements 92 dichtend an einem Ventilsitz 96 an, der in dem Ventilgehäuse 76 ausgebildet ist. Der Bewegung der Membran 78 zu der Offenstellung des Ventils hin setzt eine Vorbelastungseinrichtung einen nachgiebigen Widerstand entgegen, die aus einer Schraubenfeder 98 besteht, die zwischen dem Ventilelement 92 und einer Innenwandung des Steuerventilgehäuses 76 angeordnet ist. Die Feder 98 ist so bemessen, daß sie eine aufwärtsgerichtete Vorbelastungskraft ausübt, so daß im Kräftegleichgewicht der Druck in der Kammer 83 stets um 0,69 bar höher ist als der Druck, mit dem die Kammer 80 durch das erste Gas beaufschlagt ist. Wenn daher das erste und das zweite Gas dem Einlaß der Steuereinrichtung und dem Einlaß des pneumatischen Steuergeräts unter einem Überdruck von z.B. 1,73 bar zugeführt werden, tritt das Gas (CO&sub2;) unter einem Überdruck von genau 1,04 bar in die Kammer 28b der Gasmischeinrichtung. Dank dieser Anordnung kann das erste Gas (CO&sub2;) als die Quelle des Primärdrucksignals für das ganze System verwendet werden. Dies ist ein wichtiger Vorteil, weil das CO&sub2; von den beiden Gasquellen das bei weitem stabilere ist.
Im Betrieb wird die den Strom des zweiten Gases 14 zu der Drucksteuereinrichtung regulierende Reguliereinrichtung auf einen Druck eingestellt, der um 0,69 bar höher ist als der für die Abgabe des Getränks aus dem Behälter 22 optimal erforderliche Betriebsdruck. Auch die den Durchfluß des ersten Gases 12 zu der Drucksteuereinrichtung und dem pneumatischen Steuergerät regulierende Reguliereinrichtung 102 wird auf einen Druck eingestellt, der um etwa 0,69 bar höher ist als der für die Abgabe des Getränks aus dem Behälter 22 optimal erforderliche Druck. Durch den Überdruck des ersten Gases 12 werden zwei Wirkungen erzielt. Erstens strömt das Gas 12 unter einem Überdruck durch die Leitung 47 in die Kammer 80 der Drucksteuereinrichtung, so daß die Membran 78 derart ausgelenkt wird, daß das Ventilelement 92 von dem Sitz 96 abgehoben wird und Gas aus der Kammer 80 in die Kammer 83 und von dort in die Ausgangsleitung 48 strömen kann. Zweitens strömt gleichzeitig das Gas 12 unter einem Überdruck über die Leitung 44 zu dem Einlaß des pneumatischen Steuergeräts 18.
Das zweite Gas 14 strömt aus der Steuereinrichtung 16 durch die Leitung 48 und die Leitung 51 unter dem für die Abgabe des Getränks vorgeschriebenen Betriebsdruck in die Kammer 28a der Gasmischbaugruppe. Ferner strömt das zweite Gas 14 durch die Leitung 46 in die Kammer 56 des pneumatischen Steuergeräts. Das in die Kammer 56 strömende zweite Gas bewirkt, daß die Membran 54 ausgelenkt wird und den Zylinder 68 von dem Sitz 69 abhebt, so daß das durch die Leitung 44 in das pneumatische Steuergerät strömende erste Gas 12 an dem Sitz 70 vorbei in den kanalbildenden Zylinder 68 und aus diesem in die Kammer 58 des pneumatischen Steuergeräts strömt. Dann strömt das erste Gas aus der Kammer 58 durch die Leitung 50 in die Kammer 28b des Gasmisch- oder Stromteilmechanismus. Es muß betont werden, daß bei einem den Druck des in die Kammer 56 einströmenden Gases übersteigenden Druck des Gases in der Kammer 58 die Membran so ausgelenkt wird, daß die Druckbeaufschlagungseinrichtung 60 geschlossen wird. Dank der neuartigen Ausbildung des pneumatischen Steuergeräts ist der Druck das aus dem Steuergerät zu dem Gasmischmechanismus strömenden ersten Gases stets gleich dem Druck des zweiten Gases 14, das als Betätigungsgas in die Kammer 56 strömt und bewirkt, daß die Membran 54 in eine Stellung ausgelenkt wird, in der das Ventil offen ist. Durch dieses vollkommen neuartige Merkmal des pneumatischen Steuergeräts gemäß der Erfindung wird gewährleistet, daß das erste Gas in die Kammer 28b des Gasmischmechanismus unter einem Druck einströmt, der gleich dem Druck ist, unter dem das zweite Gas 14 in die Kammer 28a des Gasmischmechanismus einströmt.
Vorstehend wurde darauf hingewiesen, daß das vorliegende System auf Anorderung arbeitet. Gas strömt nur, wenn das externe System, in diesem Fall das Bierausschanksystem, offen ist, so daß Bier durch den mit dem Faß verbundenen Zapfhahn strömt. In diesem Fall strömen zum Ersatz des abgezogenen Biers das erste und das zweite Gas durch die Leitung 24 in das Faß oder den Behälter 22. Da das erste und das zweite Gas unter dem gleichen Druck stehen, ist der Durchfluß des ersten Gases durch das System von der Stellung des Kolbens 38 in der inneren Kammer 28 des Gasmischmechanismus abhängig. Auch der Durchfluß des zweiten Gases durch das System ist von der Stellung des Kolbens 38 in der inneren Kammer 28 abhängig. Es versteht sich daher, daß durch axiales Verstellen des Kolbens 38 in der inneren Kammer 28 das Verhältnis der für den Durchfluß des ersten Gases zur Verfügung stehenden Fläche der gesinterten Hülse zu der für den Durchfluß des zweiten Gases zur Verfügung stehenden Fläche genau so eingestellt werden kann, daß das gewünschte Gasgemisch erhalten wird. Da bei einer durch die stromabwärtigen Bedingungen bewirkten Stromanforderung der Druck des ersten und der Druck des zweiten Gases in der Kammer 28 genau identisch sind, gewährleisten die durch die Wand der gesinterten Hülse 32 bewirkten identischen Druckabfälle, daß die Durchflußrate jedes der einen Bestandteil des Gemisches bildenden Gase der für den Durchfluß dieses Gases zwischen der ersten oder inneren Kammer 28 und der zweiten oder äußeren Kammer 30 der Gasmischeinrichtung zur Verfügung stehenden Wandfläche direkt proportional ist. Vorstehend wurde darauf hingewiesen, daß die gesinterte Mülse 32 so feinporig ist, daß die Beziehung der Durchflußrate zu dem Druckabfall linear ist. Daher kann das über die Leitung 24 zu dem externen System strömende Gasgemisch äußerst genau gesteuert werden. Es sei betont, daß die neuartige Ausbildung der Gasmischeinrichtung bewirkt, daß bei einer Vergrößerung der für das Strömen des zweiten Gases zwischen den Kammern 28 und 30 zur Verfügung stehenden Fläche die für das Strömen des ersten Gases zur Verfügung stehende Menge entsprechend verkleinert wird. Infolgedessen kann an dem Schaft 36 der Kolbenanordnung eine geeichte Skala befestigt werden, von der für jede Stellung des Kolbens 38 in der inneren Kammer 28 direkt die prozentuellen Anteile des ersten und des zweiten Gases abgelesen werden können, die das Gasgemisch bilden.
Im praktischen Betrieb kann für den Ausschank von Bier die Vorrichtung auf einen auf das Gesamtvolumen des Gasgemisches bezogene Gemischanteil des ersten Gases oder Kohlendioxids im Bereich von etwa 20 bis 85 Vol.-% eingestellt werden.
Wenn die Gase z.B. aus CO&sub2; und N&sub2; bestehen, ist
% CO&sub2; = Volumen CO&sub2;/Volumen CO&sub2; + Volumen N&sub2;
Es versteht sich jedoch, daß bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für andere Zwecke der Bereich der prozentuellen Anteile des ersten und zweiten Gases des Gasgemisches für bestimmte Zwecke abgeändert werden kann.
Ein wichtiges Sicherheitsmerkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Tatsache, daß die Drucksteuereinrichtung automatisch abgesperrt werden kann. Vorstehend wurde darauf hingewiesen, daß diese Einrichtung so ausgebildet ist, daß die Feder 98 das Ventil automatisch schließt, wenn der Druck des in die Kammer 80 einströmenden ersten Gases um eine Größenordnung von etwa 0,69 bar höher ist als der Druck, unter dem das zweite Gas in die Kammer 82 eintritt. Wenn in diesem Fall die Stromsteuereinrichtung geschlossen ist, kann das zweite Gas 14 nicht zu der Signalseite 56 des pneumatischen Steuergeräts strömen. Unter diesen Bedingungen schaltet sich das System automatisch ab.
Wenn die Quelle des ersten Gases erschöpft ist, bewegt sich die Drucksteuereinrichtung automatisch in eine Schließstellung, in der sie jeden Durchfluß des zweiten Gases zu dem pneumatischen Steuergerät hin verhindert. Wenn die Quelle des zweiten Gases 14 erschöpft ist, schaltet sich das System ebenfalls automatisch ab, weil das durch die Leitung 46 in die Kammer 56 des pneumatischen Steuergeräts strömende zweite Gas den Durchfluß des ersten Gases 12 durch das Steuergerät zu dem Gasmischmechanismus begrenzt. Dank dieser neuartigen Wechselwirkung zwischen den wichtigen arbeitenden Untersystemen der Vorrichtung ist das System vollkommen betriebssicher.
Eine weitere wichtige Sicherheitseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine dritte Ventileinrichtung, die hier aus einem Rückschlagventil 104 besteht. Wenn sich das pneumatische Steuergerät nicht in der richtigen Stellung befindet, kann der Austrittsdruck des ersten Gases 12 etwas höher sein als der Eintrittsdruck des zweiten Gases 14. In diesem Fall könnte der etwas höhere Austrittsdruck zur Eintrittsseite der Vorrichtung zurückschlagen und dadurch den Austrittsdruck des zweiten Gases weiter erhöhen. Je nach dem Betrag des zunächst vorhandenen positiven Ungleichgewichts steigt dann im Lauf der Zeit der Austrittsdruck des zweiten Gases allmählich auf den Zuführungsdruck des zweiten Gases. Diese Erscheinung wird durch das Rückschlagventil 104 auf neuartige Weise wirksam verhindert.
In der vorstehend besprochenen Ausführungsform der Ventileinrichtung des pneumatischen Steuergeräts ist noch eine weitere wichtige Sicherheitseinrichtung der Vorrichtung vorgesehen. Wenn z.B. die das zweite Gas der Vorrichtung unter Druck zuführende Leitung bricht oder abgetrennt wird, so daß kein Gas mehr in die Kammer 56 strömt, könnte das sich einstellende Ungleichgewicht bewirken, daß das Rohr 68 mit seiner scharfen Umfangskante 69 in den elastomeren Sitz 70 eingetrieben wird, der dadurch unwirksam wird. Vorstehend wurde aber darauf hingewiesen, daß eine derartige Zerstörung des elastomeren Sitzes 70 dadurch wirksam verhindert wird, daß die Vorrichtung als Stoßdämpfer eine Vorbelastungseinrichtung oder Feder 72 aufweist.
Man erkennt, daß mit dem so beschriebenen, neuartigen System die erfindungsgemäße Vorrichtung bei der maximalen Durchflußrate der Vorrichtung ohne weiteres mit einem hohen Druckabfall betrieben werden kann.
Zu diesem Zweck wird die maximale Gesamtdurchflußrate auf zwei Stufen aufgeteilt, von denen die eine eine erste Stufe mit niedriger Durchsatzkapazität und die zwei andere eine zweite Stufe mit hoher Durchsatzkapazität ist. Das Verfahren zum Betreiben dieser zwei Stufen und ihre Wechselwirkung mit den anderen Untersystemen dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend besprochen.
In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Vorrichtung eine Quelle eines ersten unter Druck stehenden Gases 12, wie Kohlendioyid, eine Quelle eines zweiten unter Druck stehenden Gases 14, wie Stickstoff, und fünf wichtige arbeitende Untersysteme. Diese wichtigen arbeitenden Untersysteme sind in der Praxis in einem geeigneten kompakten Gehäuse angeordnet und umfassen einen Drucksteuermechanismus 16, ein im Kräftegleichgewicht arbeitendes pneumatisches Ein-zu-eins-Steuergerät 18, eine Gasmisch- oder Stromteileinrichtung mit einer Stufe 110 mit hoher Durchsatzkapazität und einer Stufe 112 mit niedriger Durchsatzkapazität und eine druckdifferenzabhängige Steuereinrichtung, die hier aus einem Druckdifferenzregler 114 besteht.
Die Gasmischeinrichtung dient zum steuerbaren Mischen des ersten und des zweiten Gases und steht in Strömungsverbindung mit dem Faß oder dem anderen geschlossenen Behälter, aus dem das Getränk unter dem Druck des Gasgemisches abgegeben werden soll. Das Faß ist auf eine dem Fachmann bekannte Weise mit einer (nicht gezeigten) Ausschankventilanordnung oder einem Bierzapfkopf verbunden. Dank dieser Anordnung strömt auf eine Anforderung des externen Systems hin das Gasgemisch von der Gasmischeinrichtung durch eine Leitung 116 in das Faß, so daß das Bier durch den Zapfkopf herausgedrückt wird.
Gemäß dem rechten unteren Teil der Figur 2 besitzt die eine hohe Durchsatzkapazität besitzende Stufe 110 der Gasmischeinrichtung ein Gehäuse 118 mit einer ersten oder inneren Kammer 120 und einer zweiten oder äußeren Kammer 122. Diese Kammern sind voneinander durch ein poröses Element getrennt, das hier aus einer Hülse 124 aus gesintertem nichtrostendem Stahl besteht. Die Hülse 124 ist rohrförmig, und ihre Enden liegen mit elastomeren O-Ringen oder anderen geeigneten Dichtungsmitteln dichtend an Innenwandungen des Gehäuses 118 an. Die Hülse 124 besteht aus einem Werkstoff mit einer Vielzahl von sehr feinen Poren, die gewährleisten, daß Gase in einer im wesentlichen vollkommen laminaren Strömung hindurchtreten. Dank dieser Ausbildung hat die äußere Kammer 122 die Form einer langgestreckten ringförmigen Kammer, die nur mit der inneren Kammer 120 nur durch die kleinen Poren der gesinterten Hülse 124 kommunizieren kann.
In der inneren Kammer 120 ist eine hin- und herbewegbare Einrichtung oder Kolbenanordnung 124 angeordnet, die in der Kammer 120 aus einer ersten in eine zweite Stellung axialbewegbar ist und daher die innere Kammer in einen ersten Teil 120a und einen zweiten Teil 120b teilt, deren Volumen proportional veränderbar ist.
Die eine niedrige Durchsatzkapazität besitzende Stufe 112 der Gasmischeinrichtung weist ein Gehäuse 126 mit einer ersten oder inneren Kammer 128 und einer zweiten oder äußeren Kammer 130 auf. Diese Kammern sind voneinander durch ein poröses Element getrennt, das hier aus einer Hülse 132 aus gesintertem nichtrostendem Stahl besteht. Die Hülse 132 ist rohrförmig, und ihre Enden liegen mit elastomeren O-Ringen oder anderen geeigneten Dichtungsmitteln dichtend an den Innenwandungen des
Gehäuses 126 an. Wie die Hülse 124 besteht auch die Hülse 132 aus einem Werkstoff mit einer Vielzahl von sehr feinen Poren, die aber einen anderen Strömungswiderstand darstellen als die Poren der Hülse 124. Dank dieser Ausbildung bildet die äußere Kammer 130 eine langgestreckte ringförmige geschlossene Kammer, die nur mit der inneren Kammer 128 nur durch die kleinen Poren der gesinterten Hülse 132 kommunizieren kann.
In der inneren Kammer 128 ist eine hin- und hergehende Einrichtung oder Kolbenanordnung 134 angeordnet, die in der Kammer 128 aus einer ersten in eine zweite Stellung axialbewegbar ist und daher die innere Kammer in einen ersten Teil 128a und einen zweiten Teil 128b teilt, deren Volumen proportional veränderbar ist.
In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung besitzt jede der Kolbenanordnungen einen langgestreckten Schaft 136, der am einen Ende ein kolbenartiges Element 138 trägt, das an seinem Umfang einen nachgiebig steifen elastomeren O-Ring 140 trägt, der mit den Innenwandungen der Hülse 124 bzw. 132 in Gleitberührung steht. Die Schäfte sind in genau bestimmbaren Teilschritten derart axialbewegbar, daß sich die Kolben 138 in sehr kleinen, genau gesteuerten Teilschritten in der entsprechenden Kammer axial bewegen.
Wie in der vorher beschriebenen Vorrichtung gemäß der Erfindung ist auch in dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung ein im Kräftegleichgewicht arbeitendes pneumatisches Eins-zu-eins-Steuergerät 18 vorgesehen. Der Einlaß des pneumatischen Steuergeräts 18 steht über die Leitung 44 mit der ersten Gasquelle 12 in Strömungsverbindung. Ferner steht das Steuergerät 18 mit mit der zweiten Gasquelle 14 in Strömungsverbindung über eine Leitung 46, die über eine Leitung 48 mit einer Steuereinrichtung 16 in Strömungsverbindung steht. Auch hier dient das zweite Gas 14 auf neuartige Weise als das Betätigungsgas, das das Steuergerät derart bestätigt, daß das erste Gas zu der Gasmischeinrichtung strömen kann. Die grundlegende Funktion des pneumatischen Steuergeräts besteht darin, auf Grund einer durch die Abgabe des Getränks aus dem Behälter 22 bewirkten Anforderung das erste Gas 12 an die Gasmischeinrichtung 20 abzugeben.
Das fünfte Untersystem dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Druckdifferenzregler 114, der die beiden Stufen 110 und 112 der Gasmischeinrichtung betrieblich voneinander trennt. Der Regler 114 besitzt einen hohlen Körper 142 mit einem ersten Teil 142a und einem zweiten Teil 142b, die miteinander verbunden sind, und eine zwischen diesen Teilen angeordnete Membran 144. Durch die Membran 144 wird der Hohlkörper 142 in zwei Kammern 146 und 148 unterteilt. Die Kammer 146 steht über die Leitung 150 mit der ersten Stufe 110 der Gasmischeinrichtung und die Kammer 148 steht über die Leitung 152 mit dem Faß in Strömungsverbindung.
Der Teil 142a ist innen mit einem Ventilsitz 153 versehen, an dem ein von einem Ventilelement 156 getragener O-Ring 154 angreift. Das mit der Membran 144 in Wirkungsverbindung stehende Ventilelement 156 steuert den Durchfluß von Gas aus der Kammer 146 in eine Teilkammer 158 und durch einen in dem Ventilelement vorgesehenen zentralen Kanal 160, der mit der Kammer 148 in Strömungsverbindung steht. Eine in der Kammer 148 angeordnete steuernde Vorbelastungseinrichtung ist hier als eine Feder 161 dargestellt und drückt normalerweise den O-Ring 154 dichtend gegen den Sitz 152. Wenn der Gasdruck in der Kammer 146 niedriger ist als der Gasdruck in der Kammer plus dem von der Feder 161 auf die Membran 144 ausgeübten Druck, bleibt das Ventilelement 156 in Anlage an dem Sitz 152 und verhindert es daher einen Durchfluß von Gas zu dem Faß hin. Dagegen hebt sich auf Grund eines vorherbestimmten Druckabfalls in dem Faß das Ventilelement von dem Sitz 152 ab, so daß dann Gas von der Stufe 110 zu dem Faß hin strömen kann.
In der vorliegenden Ausführungsform besitzt das pneumatische Steuergerät 18 einen Hohlkörper 162 mit einem ersten und einem zweiten Teil 162a und 162b und eine in dem ersten Teil 162b montierte erste Membran 164, die den zweiten Teil 162b in eine erste Druckkammer 166 und eine zweite Druckkammer 168 unterteilt. Die Kammer 168 steht über die Leitung 46 mit dem Untersystem 16 und die Kammer 166 über eine Leitung 169 mit der Gasmischeinrichtung in Strömungsverbindung.
Die Ventileinrichtung des pneumatischen Steuergeräts 18 ist neuartig ausgebildet und besitzt eine erste Druckbeaufschlagungseinrichtung oder ein erstes Ventilelement 170, die bzw. das mit der Membran 164 in Wirkungsverbindung steht und den Durchfluß des ersten Gases 12 in die Kammer 166 steuert. Wenn sich die Membran 164 unter der Wirkung des auf sie von dem durch die Leitung 46 strömenden zweiten Gas 14 ausgeübten Druckes aus ihrer ersten oder Ruhestellung in ihre ausgelenkte zweite Stellung bewegt, bewegt sich das Ventilelement 170 aus einer Schließstellung in eine Offenstellung. Der Bewegung der Membran zu der zweiten Stellung hin wird ein nachgiebiger Widerstand durch eine Vorbelastungseinrichtung entgegengesetzt, die hier durch eine Schraubenfeder 172 dargestellt ist, die zwischen dem Ventilelement 170 und einem Federwiderlager 176 angeordnet ist, das von der unteren Fläche eines gewindetragenden Einstellelements 178 gebildet ist. Das Element 178 ist in den Teil 162a des Hohlkörpers 162 einschraubbar, so daß die von der Feder 172 ausgeübten Druckkräfte genau eingestellt werden können.
Das Ventilelement 170 trägt einen O-Ring 180, der sich dichtend an einen Ventilsitz 182 anlegen kann, der im Innern des Teils 162a ausgebildet ist. Wenn im Betrieb die von dem Gas 14 auf die Membran 164 ausgeübte Kraft zum Überwinden der Kraft der Feder 172 genügt, strömt das Gas 12 an dem Sitz 182 vorbei in die Kammer 166 und wirkt es auf die Membran 164 im Sinne eines Ausgleichs der von dem Gas 14 auf die entgegengesetzte Seite der Membran 164 ausgeübten Kraft ein.
In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Drucksteuermechanismus 16 mit dem der ersten Ausführungsform der Erfindung identisch und weist er ein hohles Steuerventilgehäuse 76 auf, in dem eine zweite Membran 78 montiert ist. Die Membran 78 unterteilt das Gehäuse 76 in eine erste Kammer 80 und eine zweite Kammer 82. Die erste Kammer 80 hat einen Einlaß, der mit der Quelle des ersten Gases 12 über eine Leitung 74 in Strömungsverbindung steht, die ihrerseits mit der Leitung 44 verbunden ist. Die zweite Kammer 82 hat ebenfalls einen Einlaß, der über eine Leitung 86 mit der Quelle des zweiten unter Druck stehenden Gases 14 strömungsverbunden ist. Die zweite Kammer 82 steht über eine Ventileinrichtung mit einer Kammer 83 in Strömungsverbindung. Die Kammer 83 ist mit einem Auslaß 87 versehen, der über eine Leitung 51 mit der Gasmischeinrichtung 20 und über Leitungen 46 und 48 mit dem pneumatischen Steuergerät 18 in Strömungsverbindung steht.
Der arbeitende Teil der Drucksteuereinrichtung 16 ist eine zweite Druckbeaufschlagungseinrichtung 90, die mit der Membran 78 in Wirkungsverbindung steht. Die Einrichtung 90 steuert den Durchfluß des zweiten Gases 14 aus der Kammer 82 in die Kammer 83 und von dort zu dem pneumatischen Steuergerät, wenn sich die zweite Membran 78 unter der Wirkung des auf sie von dem ersten Gas 12 ausgeübten Druckes aus einer ersten oder geschlossenen Stellung in eine zweite oder offene Stellung bewegt. Diese zweite Druckbeaufschlagungseinrichtung besitzt ein Ventilelement 92, das durch einen Verbinder 94 mit der Membran 78 verbunden ist. Bei geschlossenem Ventil liegt ein elastomerer O-Ring 93 des Ventilelements 92 dichtend an einem Ventilsitz 96 an, der in dem Ventilgehäuse 76 ausgebildet ist. Der Bewegung der Membran 78 zu der Offenstellung des Ventils hin setzt eine Vorbelastungseinrichtung einen nachgiebigen Widerstand entgegen, die aus einer Schraubenfeder 98 besteht, die zwischen dem Ventilelement 92 und einer Innenwandung des Steuerventilgehäuses 76 angeordnet ist. Die Feder 98 ist so bemessen, daß sie eine aufwärtsgerichtete Vorbelastungskraft ausübt, so daß im Kräftegleichgewicht der Druck in der Kammer 83 stets um 0,69 bar höher ist als der Druck, mit dem die Kammer 80 durch das erste Gas beaufschlagt ist. Wenn daher das erste und das zweite Gas dem Einlaß der Steuereinrichtung und dem Einlaß des pneumatischen Steuergeräts unter einem Überdruck von z.B. 1,73 bar zugeführt werden, tritt das Gas (CO&sub2;) unter einem Überdruck von genau 1,04 bar x 8N&sub2; in die beiden Kammern 120a und 128a der ersten und der zweiten Stufe der Mischeinrichtung und in die Kammer 168 des pneumatischen Steuergeräts. Aus dem pneumatischen Steuergerät strömt das Gas (CO&sub2;) ebenfalls unter einem Uberdruck von genau 1,04 bar in die Kammern 120b und 128b der ersten und der zweiten Stufe der Gasmischeinrichtung. Dank dieser Anordnung kann das erste Gas (CO&sub2;) als das primäre Drucksignal für das ganze System verwendet werden.
Im Betrieb wird die den Strom des zweiten Gases 14 zu der Drucksteuereinrichtung regulierende Reguliereinrichtung auf einen Druck eingestellt, der um 0,69 bar höher ist als der für die Abgabe des Getränks aus dem Behälter 22 optimal erforderliche Betriebsdruck. Auch die den Durchfluß des ersten Gases 12 zu der Drucksteuereinrichtung und dem pneumatischen Steuergerät regulierende Reguliereinrichtung 102 wird auf einen Druck eingestellt, der um etwa 0,69 bar höher ist als der für die Abgabe des Getränks aus dem Behälter 22 optimal erforderliche Druck. Durch den Überdruck des ersten Gases 12 werden zwei Wirkungen erzielt. Erstens strömt das Gas 12 unter einem Überdruck durch die Leitung 47 in die Kammer 80 der Drucksteuereinrichtung, so daß die Membran 78 derart ausgelenkt wird, daß das Ventilelement 92 von dem Sitz 96 abgehoben wird und Gas aus der Kammer 80 in die Kammer 83 und von dort in die Ausgangsleitung 48 strömen kann. Zweitens strömt gleichzeitig das Gas 12 unter einem Überdruck über die Leitung 44 zu dem Einlaß des pneumatischen Steuergeräts 18.
Das zweite Gas 14 strömt aus der Steuereinrichtung 16 durch die Leitung 48 und die Leitung 51 unter dem für die Abgabe des Getränks vorgeschriebenen Betriebsdruck in die Kammern 120a und 128a der eine hohe bzw. niedrige Durchsatzkapazität besitzenden Stufen der Gasmischeinrichtung. Ferner strömt das zweite Gas 14 durch die Leitung 46 in die Kammer 168 des pneumatischen Steuergeräts. Das in die Kammer 168 einströmende zweite Gas bewirkt, daß die Membran 164 ausgelenkt und dadurch der O-Ring 180 von dem Sitz 182 abgehoben wird, so daß das über die Leitung 44 in das pneumatische Steuergerät einströmende erste Gas 12 an dem Sitz 182 vorbei in die Kammer 144 des pneumatischen Steuergeräts strömen kann. Aus der Kammer 166 strömt dann das erste Gas über die Leitung 169 in die eine hohe bzw. niedrige Durchsatzkapazität besitzenden Stufen des Gasmisch- und Stromteilmechanismus. Es muß jedoch darauf hingewiesen werden, daß bei einem den Druck des in die Kammer 168 strömenden zweiten Gases übersteigenden Druck des Gases in der Kammer 166 die Membran derart ausgelenkt wird, daß sie das Ventilelement 170 in eine Schließstellung bewegt. Dank der neuartigen Ausbildung des pneumatischen Steuergeräts ist daher der Druck des aus dem Steuergerät zu der Gasmischeinrichtung strömenden ersten Gases stets gleich dem Druck des zweiten Gases 14, das als Betätigungsgas in die Kammer 168 strömt und die Membran 164 in eine Ventilöffnungsstellung bewegt.
Zur Erläuterung sei angenommen, daß im Betrieb der in Figur 2 gezeigten zweiten Ausführungsform der Erfindung die niedrige Gasdurchflußrate eine Größenordnung von 20 % der maximalen Gasdurchflußrate hat und daß die Gesamtgasdurchflußrate 10 l/min beträgt und der entsprechende Druckabfall eine Größenordnung von 0,14 bar hat. Daraus ergibt sich, daß die Druck/Durchsatz-Charakteristik der ersten Stufe etwa 0,14 bar pro 2 l/min und die der zweiten Stufe 0,14 bar pro 10 l/min beträgt.
Zur betrieblichen Trennung der beiden Stufen 110 und 112 muß in der Vorrichtung der Druckdifferenzregler 114 gemäß der Figur 2 vorgesehen sein. Der Regler 114 ist so beschaffen, daß er bei Zugrundelegung der vorgenannten Annahmen bei Druckdifferenzen von 0,14 bar oder weniger geschlossen bleibt. Infolgedessen strömt bei Gasdurchflußraten unter 2 l/min Gas nur durch die Stufe 112 mit niedriger Durchsatzkapazität, während der Regler 114 die Stufe 110 absperrt. Infolgedessen ist bei niedrigen Durchflußraten der Nachlauffehler in dem Steuergerät 18 beträchtlich kleiner, weil die Stufe mit niedriger Durchsatzkapazität eine steile Druck/Durchsatz- Charakteristik hat. Es sei zum Beispiel angenommen, daß die Durchflußrate 0,5 l/min beträgt und daß der Druck des von dem Steuergerät 18 abgegebenen CO&sub2; sich von dem N&sub2;-Druck um 1,27 cm Wassersäule unterscheidet. Da bei dieser Durchflußrate der Druckabfall an dem Stromteiler 0,0345 bar (35,56 cm Wassersäule) beträgt, beträgt die Abweichung des Gemischanteils 0,0345/35,56 oder 3,57 % des eingestellten Gemischanteils. Wenn ein Gemischanteil von 30 % eingestellt ist, beträgt infolge des Fehlers der Gemischanteil 30 plus oder minus 1,07 %. Würde man für diese Durchflußrate die Stufe mit hoher Durchsatzkapazität verwenden, dann würde der Fehler 0,0345/71,12 cm Wassersäule oder 17,86 % des Gemischanteils betragen. Bei einem Gemischanteil von 30 % würde das Ergebnis 30±5,36 % betragen, d.h. der Fehler wäre fünfmal so groß wie in dem ersten Fall.
Jetzt sei der Fall betrachtet, in dem der Gesamtdurchsatz so groß ist, daß die Stufe 110 mit hoher Durchsatzkapazität in Betrieb gekommen ist, durch sie aber nur ein kleiner Teil des Gesamtdurchsatzes tritt. Es sei zum Beispiel angenommen, daß die Gesamtdurchflußrate 2,5 l/min beträgt. In diesem Fall treten zwei (2) l/min durch die Stufe 112 mit niedriger Durchsatzkapazität und tritt 0,5 l/min durch die Stufe 110 mit hoher Durchsatzkapazität, so daß im Ausgangskanal insgesamt 2,5 l/min strömen. Wie vorher beträgt dann der angenommene Fehler für die 0,5 l/min betragenden Durchflußrate durch eine hohe Durchsatzkapazität besitzende Stufe 0,0345/71,12 cm Wassersäule oder 17,86 % des eingestellten Gemischanteils. Es wird folgende arithmetische Beziehung erhalten:
30 % mal 0,1786 = ± 5,36 absoluter Fehler
Istwert des Gemischanteils = 2 (30) + 0,5 (30±5,36)/2,5 = 30±1,07 %
Würde der Gesamtdurchsatz von 2,5 l/min nur durch die eine hohe Durchsatzkapazität besitzende Stufe treten, kann gezeigt werden, daß der Istwert des Gemischanteils 30+1,07 % betragen würde.
Aus Vorstehendem geht hervor, daß durch die angegebene Verwendung von zwei Stufen der Gemischanteil bei niedriger Durchflußrate genauer eingestellt werden kann, ohne daß die Genauigkeit bei höheren Durchflußraten beeinträgt wird. Dieses Ergebnis wird erzielt, ohne daß ein inakzeptabel hoher Gesamtdruckabfall eintritt.
Vorstehend wurde die Erfindung entsprechend den Anforderungen des Patentgesetzes näher erläutert, doch kann der Fachmann ohne weiteres an den einzelnen Teilen oder ihrer Anordnung zueinander Abänderungen vornehmen, um bestimmten Anforderungen oder Bedingungen zu genügen. Derartige Abänderungen können im Rahmen des Umfanges der Erfindung und des Erfindungsgedankens vorgenommen werden, die in den nachstehenden Patentansprüchen angegeben ist.

Claims

1. Vorrichtung zur bedarfsweisen Abgabe eines Gasgemisches an ein externes System auf Anforderung, mit

einer Quelle eines ersten unter Druck stehenden Gases,

einer Quelle eines zweiten unter Druck stehenden Gases;

einer mit dem externen System und den Quellen des ersten und des zweiten Gases in Strömungsverbindung stehenden Gasmischeinrichtung zum Herstellen eines Gasgemisches durch einstellbares Mischen der genannten Gase in einem vorherbestimmten Mengenverhältnis und zur Abgabe des Gasgemisches an das externe System auf Anforderung,

einem mit der Gasmischeinrichtung und den Quellen des ersten und des zweiten Gases in Strömungsverbindung stehenden pneumatischen Steuergerät zur Abgabe des zweiten Gases an die Gasmischeinrichtung auf Anforderung seitens des externen Systems, wobei das Steuergerät eine durch das erste unter Druck stehende Gas betätigbare erste Ventileinrichtung aufweist, die zur Steuerung des Stroms des zweiten Gases zu der Gasmischeinrichtung auf Grund einer Anforderung des externen Systems dient; und

mit einer mit den Quellen des ersten und des zweiten Gases in Wirkungsverbindung stehende Steuereinrichtung zur Steuerung des Stroms des dem pneumatischen Steuergerät zugeführten ersten Gases, wobei die Steuereinrichtung eine zweite Ventileinrichtung aufweist, die von dem unter einem vorherbestimmten erhöhten Druck stehenden zweiten Gas zur Steuerung des Stroms des dem pneumatischen Steuergerät zugeführten Stroms des ersten Gases betätigbar ist;

dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischeinrichtung eine Stufe mit hoher Durchsatzkapazität und eine Stufe mit niedriger Durchsatzkapazität aufweist,

daß das pneumatische Steuergerät mit der Stufe mit hoher Durchsatzkapazität und der Stufe mit niedriger Durchsatzkapazität der Gasmischeinrichtung in Strömungsverbindung steht

und daß die Vorrichtung einen differenzdruckabhängigen Regler aufweist, der mit der Stufe mit hoher Durchsatzkapazität der Gasmischeinrichtung und mit dem externen System in Strömungsverbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der der druckdifferenzabhängige Regler eine Abgabe eines Gasstroms an das externe System nur gestattet, wenn die Durchflußrate durch die Stufe mit niedriger Durchsatzkapazität stärker ist als ein vorherbestimmter Wert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der der druckdifferenzabhängige Regler eine erste Kammer mit einem mit der Stufe mit hoher Durchsatzkapazität verbundenen Einlaß, eine zweite Kammer mit einem mit dem externen System verbundenen Gasauslaß und eine zwischen der ersten und der zweiten Kammer angeordnete Ventileinrichtung aufweist, die dazu dient, einen Strom von unter Druck stehendem Gas durch den Gaseinlaß zu dem Gasauslaß zu verhindern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, in der der druckdifferenzabhängige Regler eine Vorbelastungseinrichtung aufweist, die dazu dient, die Ventileinrichtung nachgiebig in einer geschlossenen Stellung zu halten, bis der Gasdruck in der ersten Kammer um einen vorherbestimmten Betrag höher ist als der Gasdruck in der zweiten Kammer.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, in der die mit hohem Durchsatz betriebene Stufe der Gasmischeinrichtung aufweist:

(a) ein hohles Gehäuse;

(b) ein in dem hohlen Gehäuse angeordnetes und eine erste und eine zweite Kammer, die nahe beieinanderliegen, begrenzendes poröses Element;

(c) einen mit der Quelle des ersten Gases in Strömungsverbindung stehenden ersten Einlaß in die erste Kammer;

(d) einen mit der Quelle des zweiten Gases in Strömungsverbindung stehenden zweiten Einlaß in die erste Kammer;

(e) eine dichtend an dem porösen Element angreifende, in der ersten Kammer zwischen dem ersten und dem zweiten Einlaß angeordnete, hin- und herbewegbare Einrichtung; und

(f) einen mit dem Einlaß des Reglers in Strömungsverbindung stehenden Auslaß von der zweiten Kammer.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, in der die Stufe mit niedriger Durchsatzkapazität der Gasmischeinrichtung ausweist:

(a) ein hohles Gehäuse;

(c) einen mit der Quelle des ersten Gases und mit dem ersten Einlaß der Stufe mit hoher Durchsatzkapazität in Strömungsverbindung stehenden ersten Einlaß in die erste Kammer;

(e) eine dichtend an dem porösen Element angreifende, in der zweiten Kammer zwischen dem ersten und dem zweiten Einlaß angeordnete, hin- und herbewegbare Einrichtung; und

(f) einen mit dem externen System in Strömungsverbindung stehenden Auslaß von der zweiten Kammer.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 mit einem zwischen dem Regler und der Stufe mit hoher Durchsatzkapazität der Gasmischeinrichtung angeordneten Rückschlagventil zum Verhindern einer Gasströmung in einer Richtung von der Stufe mit hoher Durchsatzkapazität zu dem Regler hin.