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Vorrichtung zur dosierten Diffusion von
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Gasen in Flüssigkeiten Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zur dosierten Diffusion von Gasen in Flüssigkeiten, bestehend aus einem über eine
Einlaßvorrichtung mit Gas befüllbaren, flüssigkeitsumspülten Diffusor.
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Diffusionsvorrichtungen der genannten Art finden beispielsweise in
der chemischen Verfahrenstechnik und zur Wasseraufbereitung Verwendung. Sie bestehen
üblicherweise aus einem flüssigkeitsumspülten> zylindrischen Diffusor, der über
eine Einlaßvorrichtung mit dem gewünschten Gas gefüllt wird. Im Diffusor bildet
sich dabei eine Grenzfläche aus, über die das Gas in die Flüssigkeit eindiffundiert.
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Eine bevorzugte Ausführungsforin solcher Vorrichtungen ist auf
eine
kleintechnische Anwendung in der Aquaristik abgestellt, in der sich vor allem das
Problem einer dosierten Anreicherung des Aquariumwassers mit Kohlendioxid (cm2)
stellt. Neben einer Funktion als Pflanzennährstoff wirkt Kohlendioxid im Aquariumwasser
als chemische Gleichgewichtskomponente im Bikarbonat-Kohlensäuresystem, dessen optimale
Einstellung für den Biotop des Aquariums von großer Bedeutung ist. Der Bedarf an
freiem Kohlendioxid richtet sich nach dem Wasservolumen des Aquariums und dem Besatz
mit Pflanzenmasse, Art und Stärke der den Assimilationsvorgang beeinflussenden Beleuchtung
sowie dem natürlichen Anteil an chemischer Gleichgewichtskohlensäure (Karbonathärte).
Die Einstellung der CO2-Zufuhr kann durch Messen des Wasser-pH-Wertes kontrolliert
werden.
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Eine bekannte Vorrichtung zur Diffusion von CO2 in Aquarien besteht
aus einem Diffusionszylinder, der vermittels eines Saugnapfsystems, beispielsweise
zwei seitlich angesetzte Saugnäpfe in vertikaler Stellung, an die Innenwand des
Aquariums montiert wird. Die obere Stirnfläche des Diffusionszylinders ist als Diffusionsmembran
ausgelegt, über die sich das Gas direkt in das Wasser löst. Die Membran muß dazu
vollständig mit Wasser bedeckt sein und vorzugsweise in einer Höhe von etwa 4 cm
unterhalb des Wasserspiegels liegen. Der Diffusionszylinder wird über einen nahe
der Membran am Zylindermantel angeformten Schlauchstutzen befüllt. Während des Füllvorgangs
wird in dem Diffusionszylinder stehendes Wasser durch CO2-Überdruck verdrängt. Dazu
ist in der der Membran gegenüberliegenden Stirnfläche eine Bodenöffnung vorgesehen,
durch die auch während des allmählichen Diffusionsverlustes an CO2 im Druckgleichgewicht
Wasser nachströmt. Zur Kontrolle des Füllstands ist der Diffusionszylinder aus Glas
oder einem durchsichtigen Kunststoff ausgelegt. Die Befüllungerfolgt durch ein Regelventil,
in dem eine C02-Patrone untergebracht ist, portionsweise von Hand. Ein solcher Diffusionszylinder
muß wenigstens einmal täglich manuell mit C02 aufgefüllt werden.
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Eine derartige Diffusionseinrichtung weist eine Reihe von Nachteilen
auf. Einmal ist die Größe der Diffusionsmembran konstruktionsbedingt vorgegeben,
so daß sich die Diffusionsrate nur durch eine umständliche Parallelschaltung mehrerer
Diffusionszylinder dem tatsächlichen CO2-Bedarf anpassen läßt.
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Die Anpassung an einen sich ändernden CO2-Bedarf erfordert aufwendige
und störende Umbauten im Aquarium. Des weiteren ist nach den Erkenntnissen der vorliegenden
Erfindung der Diffusionsvorgang bei einem hohen, auf der Grenzschicht zwischen Gas
und Flüssigkeit lastenden Druck am wirkungsvollsten.
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Bei der bekannten Ausführungsform liegt aber die Diffusionsmembran
nahe der Wasseroberfläche, also gerade im Bereich niedrigsten Wasserdrucks. Messungen
am bekannten Diffusionszylinder brachten das überraschende Ergebnis, daß wenigstens
ein Teil der CO2-Diffusion nicht über die Membran, sondern über die druckstabilisierte
Gas-Wassergrenzschicht am Boden der Gassäule erfolgt. Die manuelle Füllung der Diffusionseinrichtung
nach dem Stand der Technik erfordert schließlich regelmäßig die Aufmerksamkeit einer
Bedienungsperson. Ein derartiger Aufwand ist aber für kommerzielle Zuchtaquarien
sowie für Dekorationsaquarien in Geschäftsräumen und Restaurants kaum zumutbar.
Die Befüllung des Diffusionszyiinders von Hand wird stets mit extremen Schwankungen
im Füllstand sowie gelegentlichen Unregelmäßigkeiten einhergehen, die sich auf die
Konstanz der CO2-Diffusionsrate nachteilig auswirken.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, die handlich und leicht bedienbar sowie leicht einstellbar ist
und bei der die Diffusionsrate ohne Umbauten über einen weiten Bereich variiert
und damit wechselnden Bedürfnissen dynamisch angepaßt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen in seinem unteren Bereich offenen
Diffusor, der über ein selbsttätig regelndes Druckregelventil mit Gas befüllbar
ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind
durch die in den Unteransprüchen niedergelegten Merkmale gekennzeichnet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung verzichtet auf eine kostenaufwendige
Diffusionsmembran, die zudem in der biologisch aktiven Umgebung eines Aquariums
ständig der Gefahr des Zusetzens durch Schwebeteilchen und Pflanzenwuchs unterliegt
und regelmäßig gereinigt werden muß. Die erfindungsgemäße Formgebung des Diffusors
gestattet es, die Größe der wirksamen Diffusionsgrenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit
durch Vorgabe eines mittleren Regelgasdrucks festzulegen. Sie ist also durch Vorwahl
eines mittleren Gasdruckes einstellbar und der Gasdruck ist durch ein Druckregel-
bzw. Druckminderventil um den vorgewählten Mittelwert selbsttätig stabilisierbar.
Entsprechend dem gewünschten Stellbereich kann die Form des Diffusors dazu in weiten
Grenzen variieren. Nach erfolgter Einstellung wird der gewünschte Druck mit geringen
Regelausschlägen über lange Zeit konstant gehalten. Die erfindungsgemäße Automatik
zum Selbstbefüllen des Diffusors gestattet erstmals eine Druckregelung mit einem
Schalthub von + lOmb. Der so gestaltete Diffusor kann auf den Boden eines Aquariums
gestellt werden, derart, daß die Gasaustrittsöffnung in Bodennähe liegt. Dies hat
den Vorteil, daß das CO2 im Wurzelbereich der gesetzten Pflanzen zugeführt wird,
was sich günstig auf das Wachstum auswirkt.
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Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
Diffusors; und Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht in axialer Richtung eines
besonders vorteilhaften Druckregelventils, das dem Diffusor vorgeschaltet ist.
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Der Diffusor 1 ist ein in seinem unteren Bereich offener Hohlkörper.
Seine Formgebung richtet sich im einzelnen nach der
gewünschten
Veränderung der wirksamen Diffusionsgrenzfläche mit dem eingestellter Regelgasdruck.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform mit einer konisch sich nach unten weitenden Kontur,
bei dem also eine Erijöhung des Rgeldrucks mit einer Vergrö.erurig der Diffusionsgrenzfläcne
einhergeht. Der Diffusor 1 wird vorzugsweise auf dem Boden eines Flüssigkeitsbehälters.
bei spielsweise eines Aquariums (nicht dargestellt) aufgestellt.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispie ist dazu an den konischen
Teil 2 des Diffusors 1 ein zylindrisches Randstück 5 angeformt, das mit großflächigen
Ausnehmungen 4 durchbrochen ist. Über diese Ausnehmungen 4 kommuniziert das Innere
des Diffusors 1 mit der umgebenden Flüssigkeit. Die Oberkante 5 der Ausnehmungen
4 begrenzt den maximalen Füllstand des Diffusors 1 mit Gas. Die Mantelfläche des
Randstücks 5 zwischen den Ausnehmungen 4 bildet eine Reihe von Fu.en 6, die einen
hinreichenden Abstand zwischen cm 30den des Flüssigkeitsbehälters (nicht dargestellt;
und der Linie maximalen Füllstands in-dem Diffusor 1 und damit einen ungehinderten
Flüssigkeitsaustausch gewährleistet. Anstelle der Ausnehrnungen 4 im zylindrisonen
Randstück ,' können am Unterrand des Diffusors 1 auch Einkerbungen, Auflagenocken
usw. vorgesehen sein (nicht dargestellt).
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Die Fixierung bzw. Verankerung des Diffusors 1 auf dem Boden des Behälters
wird für Anwendungen in der Aquaristik durch die dargestellte konische Formgebung
erleichtert. Der Diffusor 1 kann so in einfacher Weise zwischen seitlich angelegte
Steine verkantet und dadurch zugleich kaschiert werden. Zur Auflage von beschwerendem
lwaterial kann das bodennahe Randstück 3 des Diffusors 1 mit einer umlaufenden oder
unterbrochenen flanschartigen Auskragung 7 versehen sein. Alternativ oder zusätzlich
können am Außenmantel des Diffusors 1 weitere Auskragungen 7' ausgeformt werden
und die Oberseite des Diffusors 1 als Auflagefläche, beispielsweise in Form eines
Auflagetellers 8 ausgestaltet sein. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
ist
der Diffusor 1 an seiner Unterseite mit einem lösbar eingesetzten oder eingeklebten
Deckel 8' verschlessen, so daß beschwerendes Materlal auch in das Innere des @iffusors
1 eingebracht werden kann.
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An der Oberseite des Diffusers 1 ist ein Ansatzstutzen 9 angeformt,
der den Gaseinteitt in das Innere des @ifasors 1 vermittelt. Auf den Ansatzstutzen
9 wird ein zur Aussterseite des Druckregelventils führender Schlauen (nicht da@@
stell@, aufgeschober. Der @@@@us@r 1 sit vorzugsweise einstückig aus Glas oder einem
durchsichtigen bzw. durchsenelsenden Kunststoff hergestellt.
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Die Funktionsteile des Druckregelventils 10 (Fig. 2@ sind in ein Gehäuse
11 montiert. Dieses ist ein stirnseitig offenes, axialsymmetrisenes Formteil mit
einer durchgehenden, im Durchmesser gestuften Axialbohrung 12. Das Gehäuse 11 besteht
aus einem weit ausgelegten Basiszylinder 13 und einem daran angeformten, konisch
sich verjüngenden Abschnitt 14, der seinerseits in einen zylindrischen Genäuseansatz
15 mit vergleiensweise geringem Durchmesser übengent. Die Axialbohrung 12 im Gehäuseansatz
15 ist in etwa halber Höhe durch eine radiale Einschnürung 16 verengt, die das Innere
des Gehäus@ansatzes 15 in zwei annähernd gleichgruß Kammern 17 und 18 teilt. Die
dem freien Ende des Gehäusennsatzes 15 zureordnete äußere Kammer 17 nimmt ein federbelastetes
Kleinventil 19 auf und ist mit dem eingangsseitigen Gasdruck beaufschlagt. Die innere
Kammer 18 gehört hingegen zum Regeldruckbereich des Druckregelventils 10. Die Steuerbewegung
aller Komp[erenten dieses Druckregelventils 10 erfolgt in Axialrientung des Oehäuses
11.
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Das Kleinventil 1@ besteht aus einer beidseitig offenen, axial durchbohrten
Hülse 20, die koaxial passend in die äußere Kammer 17 des Gehäuseansatzes 15 einsetzbar
ist. Die Hülse 20 liegt mit einem radial nach außen abstehenden Flansch 21 dichtend
auf der Stirbseite des Gehäuseansatszes 15 auf. Als Dichtung dient ein auf die Hülse
20 gegen den Flansch 21 aufgeschoben
Rundsennurring 22, der in
eine konische Phas am Ende der Axialbonrung 12 des Gehäuses 11 gepreßt wird. Den
Anpre@@ruck vermittelt ein auf der Rückseite des Flansches 21 @deitend anliegende
Überwurfmatter 25, die auf ein Außen@ewinde am Gehäuseansatz 15 auf@eschraub@ wird.
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In axialer Verlängerung ist einstückig an die fillse 20 ein Ansatzstutzen
24 angeformt, der bei montierter Hülse 20 über die Überwurfmutter 25 hinausragt
und das Aufsehieben eines zur Druckguelle, beispielsweise einer @@@ -Patrone, führenden
Schlauches (nicht dargestellt) gestattet. Die lichte Weite des Ansatzstutzens 24
ist gegenüber der Hüise 20 verengt. @@ Verengungsstelle 25 bildet das Widerlager
für eine im Inne@@en der Hülse 2@ ange@ranete Druckfeder 26. Diese Druckfeder 2@
arbeitet gegen einen Ventilkopf 27, der im Inneren der Hülse 20 geführt und akial
beweglich gelagert ist. Das axiale @@-wegungsspiel ist danei durch eine Stufe 28
in der Wandung der Hülse 20 begrenzt. Die Druckfeder 26 ist auf einen an den Von-@ilkopf
27 angeformten Zapfen 29 aufgeschoben. Durch die Verspannung der Druckfeder 26 liegt
der Ventilkopf 27 dichtend an einem Dichtring 30 an. Der Eingangsdruckbereich des
Druckegelventils wird dadurch gegen den Regeldruckteil abgesperrt. Der Dichtring
50 ist in einem Dichtsitz auf der Einschnürung 1@ @elagert, die die Kammern 17,
18 des Gehäuseansatzes 15 trennt.
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Das Innenma@ des Dichtringes @0 entspricht dabei in etwa der lienten
Weise der Einschnürung 10.
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Der Ventilkopf 27 wird von der Reg@ldruckseit@ des Drucke@t@@.
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ventils aus seiner Dichtstellung ausgeheben. Dazd dient @@@ Druckpilz
@@, dessen zylindrischer Senaft axial In der inneren Kammer 1@ des Gehäuseansa@@@s
15 gleitet. Auf der Stirnfläch@ des Schaftes ist ein Stößel @2 angeordnet, der durch
die E@nschnärung 1@ des Gehäuseansatzes 15 und die mittige Öffnung des darauf aufliegenden
Dichtringes @0 durchgreift. Der Stö@el @2 wirkt arbeitsmäßig gegen den Ventilkopf
27, an dem er lose anliegt. Der Dr@ekpilz @@ liegt lose auf einer elastischen
Membran
35 auf, die den Regeldruckteil des Druckegelventils 10 dichtend abschließt. Die
Membran 35 besteht aus einer runden Membranscheibe, die an ihrem Umfangsrand von
der einen Seite durch eine Schut£i 5ö ar der Innenwand ues Gehäuses 11 und von der
anderen Seite durch einen Haltering 37 gehalten wird. Die Membran 35 bildet die
Basis des konisenen Gehäuseabschnitts 14 und liegt in der Schließstellung des Flelnventils
19 etwa eben. Die Druckplatte 33 des Druckpilzes 31 bedeckt den Mittelbereich der
Membran 35 und ist im Inneren des membranbegrenzten konischen Gehäuseabschnitts
in axialer Richtung beweglich. Das 3ewegungsspiel des Druckpilzes 31 entspricht
dabei wenigstens dem Sciialthub des Kleinventils i.
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Die Membran 55 ist zwischen Haltering 57 unr,1 Gehäuse 11 druckdicht
gelagert. Der Haltering 57 ist ein dem InnenmaB des Basiszylinders 13 entsprechendes
Paßteil. Er wird von der dem Gehäuseansatz 15 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses
11 koaxial in den Basiszylinder 15 eingesetzt, gegen die elastiscl.e Membran 35
gepreßt und durch eine oder mehrere Blechschrauben 38 in der J)ichtstellung arretiert.
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Die Außenluftseite der Membran 55 ist durch einen Kolben 3:3 belastet,
der bis auf einen freien randnahen Bereich annähernd die gesamte Fläche der Membran
55 bedeckt. Der Kolben 39 ist federbelastet und in axialer Richtung beweglich gelagert.
Zu diesem Zweck ist in den Haltering 57 ein relativ zu der Auflagefläche des Druckregelventils
10 von unten aus nach innen versetzter Zwischenboden 4(! eingezogen. Dieser Zwischenboden
40 ist mit einer mittigen, axialen Gewindebohrung 41 versehen, in die eine Stellbüchse
42 eingeschraubt ist. In der Stellbüchse 42 ist die Kolbenstange 43 des die Membran
35 belastenden Kolbens 59 mit axialem Gleitspiel gehalter und geführt.
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In der Kolbenstange 45 ist eine axiale Sackbohrung 44 vorgesehen,
in die eine Druckfeder 45 eingesetzt ist, die gegen den Boden der Stellbüchse 42
wirkt. Die Einschraubtiefe der Stellbüchse 42 bestimmt somit die Kraft, mit der
der Kolben 39 gegen die Membran 55 drückt.
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Die von dem Mantel und dem Zwischenboden 40 des Halteringes 37 sowie
der Membran 35 gebildete Kammer 46 ist durch die Gewindegänge der Stellbüchse 42
mit der Außenluft verbunden.
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Der Druckausgleich ist dadurch in hinreichender Weise gewährleistet.
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Seitlich am Gehäuse 11 des Druckregelventils 10 ist schließlich ein
Gasauslaß angeordnet. In der dargestellten.AusfUhrungsform ist dazu durch die Wand
des Gehäuses 11 eine Bohrung 47 geführt, die den Regeldruckbereich des Ventils trifft.
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In die Bohrung 47 ist von außen ein Schlauchstutzen 48 eingefügt,
dessen Wandung im unteren Bereich eine umlaufende Rundnut zur Aufnahme eines Dichtringes
49 sowie im oberen Bereich einen Haltekragen 50 aufweist. Der Schlauchstutzen 48
ist dichtend in die Bohrung 47 eingeschoben und an dem Haltekragen 50 mit einer
Blechschraube 51 gegen das Gehäuse 11 arretiert.
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Das zu einer Schlaucholive erweitere Ende des Schlauchstutzens 48
ist mit einem Gewinde versehen, in das von außen eine Reduzierschraube 52 eingeschraubt
ist. Der Gasstrom tritt im wesentlichen durch die Gewindegänge der Reduzierschraube
52 aus und ist dadurch stark gedrosselt. Die Reduzierschraube 52 kann entsprechend
den Erfordernissen mit einer oder mehreren Einfräsungen senkrecht zu den Gewindegängen
versehen sein, und demgemäß einen geringeren Strömungswiderstand bieten.
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Die Funktion des erfindungsgemäßen Druckregelventils 10 ist gekennzeichnet
durch ein Kräftegleichgewicht am Ventilkopf 27, der gegen den auf der Gaseinlaßseite
herrschenden Druck und die Vorspannung der Druckfeder 26 aus seinem Dichtsitz ausgehoben
werden muß. Im Interesse einer geringen Betätigungskraft muß dazu die einlaßseitig
druckbeaufschlagte Fläche des Ventilkopfes 27 minimal sein und die Betätigung des
Ventilkopfes 27 möglichst reibungsarm erfolgen. Die erforderliche Betätigungskraft
wird von dem federbelasteten Kolben 39 über die elastische Membran 35 auf den Druckpilz
31 Ubertragen, der mit dem Stößel 32 auf den Ventilkopf 27 wirkt. Bis zum
Absinken
des Regeldrucks unter einen durch die Federvorspannung des Kolbens 39 bestimmten
Sollwert wird diese Betätigungskraft durch den auf die großflächige Membran 35 wirkenden
Regel druck kompensiert und der Ventilkopf 27 bleibt in der Dichtstellung. Der Sollwert
wird an der Stellbüchse 42 vorgewählt. Nach erfolgtem Abheben des Ventilkopfes 27
muß sich im Regeldruckbereich eine hinreichende Druckerhöhung ergeben, um den Gaseinlaß
erneut zu schließen. Zu diesem Zweck wird das Ausströmen des Gases aus dem Regeldruckbereich
durch eine starke Drosselung verhindert.
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Durch die Möglichkeit der Druckregelung im Niederdruckbereich mit
Toleranzen von etwa f 10 mb ist eine präzise Füllstandsregelung des erfindungsgemäßen
Diffusors gegeben. Erfindungswesentliche Konstruktionsmerkmale des Druckregelventils
sind dabei die Verwendung eines reibungsarmen Kleinventils auf der Gaseinlaßseite,
einer großflächigen, elastischen Membran im Regeldruckbereich sowie die starke Reduzierung
des Gasstromes im Auslaß.
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Das erfindungsgemäße Druckregelventil ist für einen Eingangsdruck
zwischen 100 mb und 2 b ausgelegt. In dem dargestellten AusfUhrungsbeispiel wird
das Gas dem Druckregelventil über einen Schlauchstutzen zugeführt. Gegebenenfalls
erforderliche, dem Druckregelventil separat vorgeschaltete Druckminderer, Reduzierventile
und/oder Expansionskammern (alle nicht dargestellt) können selbstverständlich auch
einstückig mit dem Druckregelventil verbunden sein.