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Die
Erfindung betrifft eine Ventilanordnung, die als Gasarmatur geeignet
ist, insbesondere eine Ventilanordnung oder Gasarmatur für gasbetriebene Feuerungseinrichtungen,
wie z.B. Gaskamine mit offener Flamme.
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Feuerungseinrichtungen
mit offener oder zumindest sichtbarer Flamme erfreuen sich zunehmender
Beliebtheit. Es wird dabei gewünscht,
die Größe der Flamme
und somit die Heizleistung bequem einstellen zu können. Dies
soll meist über
Fernbedienung geschehen. Die Gasarmatur erfordert deshalb fernsteuerbare
Stelleinrichtungen. Ein elektrischer Netzanschluss ist nicht in
jedem Fall vorhanden. Deshalb sollen entsprechende Gasarmaturen
auf Batteriebetrieb eingerichtet sein. Darüber hinaus wird in den meisten
Fällen
gefordert, dass auch Handbetrieb möglich ist.
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Gaskamine
und andere Feuerungseinrichtungen mit offener Flamme sind nicht
nur dekorativ sondern sie tragen auch in beachtlichem Maße zur Raumheizung
bei. Es wird deshalb gewünscht,
diese Feuerungseinrichtungen in die Raumheizung und die Regulierung
der Raumtemperatur einbeziehen zu können. Dies setzt eine fein
abgestufte Regulierung der Flammengröße voraus. Die Gasarmatur muss deshalb
den Gaszustrom zu den entsprechenden Brennern entsprechend fein
abgestimmt einstellen können.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Gasarmatur zu schaffen, die unter
Beachtung des oben genannten technischen Hintergrunds zuverlässig arbeitet
und kostengünstig
herzustellen ist.
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Diese
Aufgabe wird mit der Ventilanordnung nach Anspruch 1 gelöst:
Die
erfindungsgemäße Ventilanordnung
weist als zentrales Stellorgan ein Schieberelement auf, das vorzugsweise
als Drehschieber ausgebildet ist. Es steuert zumindest einen, vorzugsweise
aber zwei Gaskanäle.
Der erste liefert z.B. Gas zu einem Zündbrenner, während der
zweite zur schieberpositionsabhängigen
Regulierung des Gasflusses, beispielsweise zum Brenner, dient. Das
Schieberelement ist mit einem Antrieb verbunden, um gezielt gewünschte Schieberpositionen
einstellen zu können.
Zur Erfassung ausgewählter
Positionen des Schieberelements dienen ein Nockenelement und ein
Schalter, der mit einer Steuereinrichtung verbunden ist. Die Steuereinrichtung
verfolgt das Öffnen
und Schließen
des Schalters. Außerdem
steuert sie den Antrieb für
das Schieberelement an. Vorzugsweise ist sie dabei so ausgebildet,
dass sie die Dauer der Betätigung
des Antriebs überwacht,
um daraus die tatsächliche
Position des Schieberelements zu bestimmen.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
Schieberpositionen gezielt anzufahren, die zwischen den Schaltpositionen
des Schalters liegen. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden,
in Abhängigkeit
von der gewünschten
Heizleistung eine gewünschte
Flammengröße einzustellen.
Bei einer Raumtemperaturregelung können durch das gezielte Einstellen
von bestimmten Heizleistungen Regelschwingungen vermieden werden.
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Das
Nockenelement weist vorzugsweise zwei Nocken zur Betätigung des
Schalters auf. Diese Nocken sind vorzugsweise so angeordnet, dass
beim Bewegen des Schieberelements in Öffnungsrichtung ein erstes
Schaltsignal erzeugt wird, noch bevor einer der Gaskanäle freigegeben
wird. Dieses Signal dient als Null-Signal und signalisiert das vollständige Schließen des
Schieberelements. Ein zweites Schaltsignal wird erzeugt, nachdem
der Zündgaskanal
freigegeben ist und bevor der Hauptgaskanal (oder einer der Hauptgaskanäle) freigegeben
wird. Dieses Signal kann als Zündsignal
gewertet werden. Zumindest ein weiteres, z.B. ein drittes Schaltsignal wird
vorzugsweise etwa in der Mitte des Modulationsbereiches des Schieberelements
abgegeben. Alle diese unterschiedlichen Funktionen werden durch
einen einzigen Schalter gesteuert. Die entstehenden Schaltflanken
haben somit unterschiedliche Funktionen. Ihre Bedeutung wird durch
die Steuereinrichtung (μC)
unterschieden, die über
einen EEPROM oder einen anderen nichtflüchtigen Speicher verfügt. In Zwischenzeiten,
d.h. wenn von dem Stel lantrieb keine Stellarbeit zu leisten ist,
wird das System, auch die Steuereinrichtung, komplett abgeschaltet.
Die minimiert den Batteriestromverbrauch. Die Erfindung erbringt
somit unter Zuhilfenahme eines besonders einfachen Positionssensors
in Form eines Schalters (Mikroschalters) mit nur zwei Nocken an
dem positionsgebenden Nackenelement und unter Zuhilfenahme eines
nichtflüchtigen
Speichers sowohl eine Möglichkeit
zur Steuerung des Zündbetriebs
als auch des Lastbetriebs. Dies alles mit einfachsten Elementen und
fast ohne Ruhestromverbrauch.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
mit einem einfachen Schalter auf robuste und billige Weise eine Erfassung
wesentlicher Positionen des Schieberelements durchzuführen. Der
zweite Nocken kann das dritte (und ein viertes) Schaltsignal erzeugen,
wenn ein zweiter Hauptgaskanal öffnet,
beispielsweise wenn ein mehrstufiger Brenner vorgesehen wird.
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Das
Nackenelement kann außerdem
dazu dienen, ein Schließventil
zu steuern. Dazu weist es eine weitere Nockenbahn auf, die nicht
mit dem elektrischen Schalter in Verbindung steht und die dem Schaltventil
zugeordnet ist. Das Schaltventil dient vorzugsweise dazu, den Hauptgasfluss
komplett abzusperren, um das Entstehen zu geringer Gasflüsse zu vermeiden,
die ansonsten am Brenner zu gelegentlichen Zündungen und Verpuffungen führen könnten. Wird
das Schieberelement von dem Antrieb in Richtung Verkleinerung der
Flamme bewegt, sperrt das Schaltventil den Gasfluss ab, bevor die
Flammen so klein geworden sind, dass sie nicht mehr sicher brennen.
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Einzelheiten
vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder
von Ansprüchen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Übersichtsdarstellung
des Schieberelements, des zugeordneten Antriebs und des Schalters,
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2 die
Gasarmatur mit der Ventilanordnung nach Figur 1,
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3 das
Schieberelement nach 1 mit Schiebergehäuse in vertikal
geschnittener Darstellung,
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4 die
Abwicklung des Schieberelements nach 3,
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5 Nockenprofile
und Schaltimpulse der Ventilanordnung nach 1,
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6 ein
Nockenelement für
die Ventilanordnung nach 1, in perspektivischer Darstellung und
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7 ein
Schaltventil für
die Ventilanordnung nach 1 in längs geschnittener Darstellung.
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In 1 ist
eine zu einer Gasarmatur 1 gehörige Ventilanordnung 2 veranschaulicht,
die dazu dient, Gas zu einem Brenner 3 zu leiten. Der Brenner 3 kann
beispielsweise ein offenes Kaminfeuer erzeugen. Zur Steuerung der
Gasarmatur 1 dient eine Steuereinrichtung 4, die
vorzugsweise batteriegestützt
arbeitet und über
eine Fernbedienung 5, beispielsweise über Infrarot oder Funk bedienbar
ist. Die Steuereinrichtung 4 enthält einen nichtflüchtigen elektrischen
oder elektronischen Speicher, z.B. einen EEPROM zur Abspeicherung
der Position der Ventilanordnung. Sie kann zwischen den Stellaktionen ganz
abgeschaltet werden und somit einen Stromverbrauch von technisch
Null Ampere aufweisen. Wird sie zur Durchführung einer Stellaktion aktiviert, kann
sie aus den Daten des EEPROM die aktuelle Ventilposition erkennen,
ohne diese erst ermitteln zu müssen.
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Zur
Speisung des Brenners 3 und eines in seiner Nähe angeordneten
Zündbrenners 6 dienen Gasleitungen 7, 8, 9,
in denen Einstelldrosseln 10, 11, 12 angeordnet
sein können.
Die Gasleitungen 7, 8, 9 gehen von einer
Schieberanordnung 13 ab, die ein in einem Gehäuse 14 angeordnetes
Schieberelement 15 aufweist. Dieses ist vorzugsweise als
Drehschieber ausgebildet und mittels eines Antriebs 16 zu betätigen. Zu
dem Antrieb 16 gehört
ein Elektromotor 17, vorzugsweise in Form eines Gleichstrommotors ohne
Positionssensor, d.h. ohne nach außen geführtes Positionssignal. Er treibt über eine
Rutschkupplung 18 und mehrere Getriebezahnräder 19, 20, 21, 22 das
Schieberelement 15 an. Außerdem ist eine Handbetätigungseinrichtung 23 in
Form eines Stell- oder Drehknopfes vorgesehen, der mit einer Kupplungseinrichtung 24 zusammenwirkt.
Wird der Drehknopf niedergedrückt,
rückt die
Kupplungsanordnung 24 aus und trennt die Kupplungsverbindung
zwischen den Zahnrädern 21 und 22.
Eine nicht weiter veranschaulichte Führungskulisse stellt sicher,
dass dieses Umschalten auf Handbetrieb nur in Schießstellung
der Schieberanordnung 13 möglich ist.
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Das
Zahnrad 22 ist drehfest mit dem Schieberelement 15 verbunden.
Es ist als Nockenelement (22) zur Betätigung eines Schalters 25 sowie
eines Schaltventils 26 ausgebildet. Das Schaltventil 26 ist in
der zu dem Brenner führenden
Gasleitung 9 angeordnet, die den Brenner mit Gas versorgt,
wenn dieser mit kleinster Flamme arbeitet. Zur Betätigung des Schaltventils 26 dient
eine Nockenbahn 27, die an dem Nockenelement 22 ausgebildet
ist. Zur Betätigung
des Schalters 25 dienen zumindest zwei Nocken 28, 29,
die ebenfalls an dem Nockenelement 22 ausgebildet sind.
Zur Verdeutlichung wird auf 6 verwiesen,
die das Zahnrad 22 gesondert veranschaulicht. Die Nockenbahn 27 und
die Nocken 28, 29 befinden sich auf unterschiedlichen
Radien bezüglich
der Drehachse des Zahnrads 22.
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Zu
der Gasarmatur gehören
außerdem
ein Sperrventil 30, das die Gaszufuhr zu der Schieberanordnung 13 kontrolliert
sperrt und freigibt und an eine Gasversorgung 31 angeschlossen
ist. Es wird über
einen Handtaster 32 betätigt
und durch einen Haltemagneten 33 in Offenstellung gehalten,
so lange die Zündflamme
an den Zündbrenner 6 brennt. Zur
Bestromung des Haltemagneten 33 dient ein Thermoelement 34,
das mit dem Haltemagneten 33 verbunden ist und in die Zündflamme
ragt.
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Parallel
zu dem Handtaster 32 kann das Sperrventil 30 über eine
Starteinrichtung 34 betätigt werden,
zu der ein Motor 35 gehört,
der über
einen Kurbeltrieb 36, eine Magnetkupplung 37 und
einen Schwenkhebel 38 auf das Sperrventil 30 einwirkt.
Zur Überwachung
der Position des Sperrventils 30 dient ein Schalter 39,
der, wie auch der Schalter 25, mit der Steuereinrichtung 4 verbunden
ist.
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Die 3 und 4 veranschaulichen
die Schieberanordnung 13. Der Schieber 15 steuert
insgesamt drei Gaskanäle.
Wie 4 veranschaulicht, weist der Schieber 15 einen
Schlitz 40 auf, der sich im Vergleich zu zwei weiteren
Schlitzen 41, 42 über den größten Teil des möglichen
Drehwinkels des Schieberelements 15 erstreckt. Der Schlitz 40 steuert den
Zündgaskanal.
Die Schlitze 41, 42 erstrecken sich über geringere
Teile des Drehwinkels und können
außerdem
eine entsprechende Form haben, um größere Gasflüsse zuzulassen. Sie dienen
der Versorgung des Brenners 3. Zu der Ventilanordnung 2 gehört außerdem das
Schaltventil 26, das in 7 gesondert
veranschaulicht ist. Es weist ein Gehäuse 43 auf, das abgedichtet
mit dem Gehäuse
der Gasarmatur zu verschrauben ist und entsprechende Gaskanäle steuert,
die die Leitung 9 bilden. Das Gehäuse 43 ist rohrförmig ausgebildet
und an einem Ende mit einem Innengewinde versehen. In dieses ist
ein Einsatz 44 eingeschraubt, der einen zentralen Durchgangskanal
aufweist und einen Ventilsitz 45 festlegt. Diesem ist ein
Ventilverschlussglied 46 zugeordnet, das auf den Ventilsitz 45 zu
und von diesem weg bewegbar ist. Etwa auf Höhe des Ventilverschlussglieds 46 enthält das Gehäuse 43 Querbohrungen 47,
um einen Gaseinlass zu bilden. Das Ventilverschlussglied 46 ist
an einer Ventilspindel 48 gehalten, die in dem Gehäuse 43 axial
verschiebbar gelagert ist und an einem Ende aus diesem heraus ragt.
Zur Befestigung des Ventilverschlussglieds 46 dient eine Überwurfhülse 49,
die mit der Ventilspindel 48 verschraubt ist. Ein Tragzapfen 50 sitzt
mit seinem Kopf in der Überwurfhülse 49 und
hält anderen
Ends das Ventilverschlussglied 46 in Form einer flachen,
relativ weichen Elastomerscheibe. Zwischen dem Tragzapfen 50 und
der Stirnsei te der Ventilspindel 48 sitzt innerhalb der Überwurfhülse 49 eine
Druckfeder 51, die das Ventilverschlussglied 46 von
der Ventilspindel 48 weg vorspannt. Eine zweite größere Druckfeder 52 spannt
die Ventilspindel 48 von dem Ventilsitz 45 weg vor.
Zur Abdichtung zwischen dem Ventilgehäuse 43 und der Ventilspindel 48 dient
eine Lippendichtung 53.
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Über die
beschriebenen Elemente hinaus kann die Gasarmatur 1 gemäß 2 eine
Verriegelungseinrichtung 54, beispielsweise in Form eines Verriegelungsstifts 55 aufweisen,
der eine Drehung des Schieberelements 15 nur freigibt,
wenn das Sperrventil 30 in Freigabeposition steht, d.h.
offen ist. Des Weiteren kann eine elektronische oder elektrische
Funkenzündeinrichtung
vorgesehen sein, die die Zündflamme 6 zündet oder
bedarfsweise ersetzt. Eine solche elektrische Zündeinrichtung wird von der Steuereinrichtung 4 gesteuert.
Außerdem
kann die Steuereinrichtung 4 über Speichermittel nicht flüchtiger
Natur, z.B. EEPROM verfügen,
um die jeweils aktuelle Position des Schieberelements 15 abzuspeichern.
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Die
Steuerung der Ventilanordnung 2 mittels der Steuereinrichtung 4 ist
wie folgt:
Es wird davon ausgegangen, dass das Sperrventil 30 geschlossen
ist und sich das Schieberelement 15 in AUS-Stellung befindet.
Keiner seiner Schlitze 40, 41, 42 kommuniziert
mit einer entsprechenden abgehenden Bohrung des Schiebergehäuses 14.
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Es
wird nun der Zündbrenner 6 gezündet, indem
manuell durch Betätigung
des Handtasters 32 oder fernbetätigt durch Aktivierung des
Motors 35 das Sperrventil 30 geöffnet wird.
Es wird Gas für
die Schieberanordnung 13 freigegeben. Durch Drehung der
Handbetätigungseinrichtung 23 oder
vorzugsweise des Motors 17 veranlasst die Steuereinrichtung 4 nun
eine Drehung des Schieberelements 15. Dabei kommt der Nocken 28 an
dem Schalter 26 an und gibt dort zunächst ein Schaltsignal (Schließsignal). Dieses
wird von der Steuereinrichtung 4 als Signal dafür gewertet,
dass die Schieberanordnung ihre Null-Stellung verlässt. Der Motor 17 wird
fortgesetzt bestromt bis der Schalter 25 wieder öffnet. Der
Motor 17 stoppt hier. In dieser Position kommuniziert der Schlitz 40 mit
einer abgehenden Gehäusebohrung des
Schiebergehäuses 14 während die
anderen beiden Schlitze 41, 42 noch keinen Gasweg
freigeben. Es kann nun die Zündflamme
manuell oder elektrisch, beispielsweise durch Funkenüberschlag,
gezündet
werden.
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Zum
Zünden
des Brenners 3 dreht der Motor 17 das Schieberelement 15 weiter,
wobei die Steuereinrichtung 4 keine direkte Positionsrückmeldung hat.
Die Drehgeschwindigkeit des Motors 17 hängt von äußeren Faktoren, wie beispielsweise
der Temperatur oder der Betriebsspannung ab. Der Motor 17 wird
beispielsweise über
die Fernbedienung 5 betätigt.
Er läuft
so lange wie ein Bediener einen entsprechenden Knopf gedrückt hält. Insoweit
spielt die Stellgeschwindigkeit des Motors 17 eine untergeordnete Rolle.
Bedarfsweise ist die Steuereinrichtung 4 so ausgebildet,
dass sie die Laufzeit des Stellmotors 17 überwacht,
daraus die Stellposition des Stellmotors und somit des Schiebers 15 ermittelt
und die Position in dem EEPROM abspeichert. Nach Durchführung der
Stellaktion geht sie in einen Schlafzustand ohne Stromverbrauch.
Wird sie reaktiviert, liest sie zunächst den Speicher aus und verfügt somit
sofort über
die aktuelle Schieberposition. Diese legt sie dann dem etwaigen
folgenden weiteren Stellbefehl zugrunde.
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Etwa
in der Mitte des Stellbereichs der Schieberanordnung 15 gelangt
der zweite Nocken 29 an den Schalter 25 und betätigt diesen.
Wiederum wird ein Schaltsignal erzeugt, das die Steuereinrichtung 4 empfängt. Aus
der Dauer der Motorbetätigung, die
erforderlich war, um diesen Schaltpunkt zu erreichen, kann die Steuereinrichtung 4 die
Stellgeschwindigkeit errechnen. Soll nun eine bestimmte Brennerstellung
(beispielsweise ein Viertel, ein Drittel oder drei Viertel) gezielt
angefahren werden, kann die Steuereinrichtung 4 dies durch
entsprechende Bemessung der Einschaltdauer des Elektromotors 17 bewerkstelligen.
Damit kann die Gasarmatur in ein Heizsystem integriert werden, das
beispielsweise raumtemperaturgesteuert arbeitet und, ausgehend von
der aktuellen Raumtemperatur, eine bestimmte Brennerleistung gezielt
abfordern will.
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Das
Zünden
des Brenners 3 erfolgt durch Gasfreigabe und das Abschalten
durch Absperren der Gaszufuhr. Beides übernimmt das Schaltventil 26,
um zu verhindern, dass eine Mindestflammengröße unterschritten wird. Seine
Ventilspindel 48 wird von der Nockenbahn 27 direkt
oder durch Vermittlung eines Nockenfolgerhebels betätigt. Der
Hub der Ventilspindel 48 ist dabei größer als der freie Abstand zwischen
dem Ventilverschlussglied 46 und dem Ventilsitz 45.
Das Umschalten zwischen Schließstellung
und Offenstellung erfolgt an der aus 6 ersichtlichen
relativ steilen Flanke der Nockenbahn. Die Öffnung des Schaltventils 26 erfolgt
dabei erst wenn sich die Ventilspindel 48 so weit von dem
Ventilsitz 45 weg bewegt hat, dass die Überwurfhülse 49 den Tragzapfen 50 mitnimmt.
Bis zu diesem Zeitpunkt bewirkt die Druckfeder 51 den Verschluss
des Schaltventils. Danach bewirkt die Druckfeder 52 das Öffnen des
Schaltventils 26.
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Die
vorgestellte Gasarmatur eignet sich für den Betrieb von offenen Gasfeuern.
Sie ist aufgrund ihrer Struktur einfach und robust und erfüllt dabei
alle Sicherheitsanforderungen. Sie kann von Hand oder ferngesteuert
betrieben werden und ist nicht auf einen Netzanschluss angewiesen.
Eine Besonderheit liegt in der Erfassung der Stellposition eines
Schieberelements durch zwei Schaltnocken und einen elektrischen
Schalter sowie Erfassung der Stellzeiten. Die Steuereinrichtung 4 kann
die jeweils aktuelle Stellgeschwindigkeit immer neu berechnen, um
zwischen den Schaltpunkten liegende Schieberpositionen gezielt einstellen
zu können.
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- 1
- Gasarmatur
- 2
- Ventilanordnung
- 3
- Brenner
- 4
- Steuereinrichtung
- 5
- Fernbedienung
- 6
- Zündbrenner
- 7
- Gasleitung
- 8
- Gasleitung
- 9
- Gasleitung
- 10
- Drossel
- 11
- Drossel
- 12
- Drossel
- 13
- Schieberanordnung
- 14
- Gehäuse
- 15
- Schieberelement
- 16
- Antrieb
- 17
- Elektromotor
- 18
- Rutschkupplung
- 19
- Zahnrad
- 20
- Zahnrad
- 21
- Zahnrad
- 22
- Zahnrad
- 23
- Handbetätigungseinrichtung
- 24
- Kupplungsanordnung
- 25
- Schalter
- 26
- Schaltventil
- 27
- Nockenbahn
- 28
- Nocken
- 29
- Nocken
- 30
- Sperrventil
- 31
- Gasversorgung
- 32
- Handtaster
- 33
- Haltemagnet
- 34
- Starteinrichtung
- 35
- Motor
- 36
- Exzenter
- 37
- Magnetkupplung
- 38
- Hebel
- 39
- Schalter
- 40
- Schlitz
- 41
- Schlitz
- 42
- Schlitz
- 43
- Gehäuse
- 44
- Einsatz
- 45
- Ventilsitz
- 46
- Ventilverschlussglied
- 47
- Querbohrungen
- 48
- Ventilspindel
- 49
- Überwurfhülse
- 50
- Tragzapfen
- 51
- Druckfeder
- 52
- Druckfeder
- 53
- Lippendichtung
- 54
- Verriegelungseinrichtung
- 55
- Verriegelungsstift