DE10214285A1 - Gasarmatur, insbesondere zur Proportionsalsteuerung von Gasflüssen - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemäße Gasarmatur (1) weist ein erstes Ventil (2) auf, das zwei Schließfedern (29, 38) aufweist. Während die Schließfeder (29) vorgespannt ist, ist die Feder (38) so eingerichtet, dass sie im Schließpunkt des Ventils (2) gerade vollkommen entspannt ist oder sogar mit einem gewissen Spiel gehalten ist. Auf diese Weise öffnet das Ventil (2) schon mit relativ geringem Spulenstrom, wobei zur vollständigen Öffnung ein relativ hoher Spulenstrom erforderlich ist. Somit kann ein großer Strombereich von beispielsweise 170 bis 400 mA für einen Einstellweg der Ventilspindel (18) von wenigen, z. B. 4 mm, genutzt werden. Dies ergibt eine gute Auflösung, Wiederkehrgenauigkeit und Ansteuerbarkeit des Ventils (2).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Gasarmatur, die sich insbesondere für Gasgeräte eignet, die eine Proportionalsteuerung des Gasflusses benötigen.
• Zur Steuerung des Gasflusses können Ventile herangezogen werden, deren Ventilverschlussglied in Bezug auf einen Ventilsitz je nach Bedarf in unterschiedliche Stellungen bewegt werden kann, um unterschiedliche Drosselwirkungen zu erzielen. Soll die Steuerung von einer Steuereinrichtung übernommen werden, ist eine elektrische Stelleinrichtung erforderlich.
• Neben der Einstellung verschiedener Drosselpositionen ist es häufig gewünscht, dass das Ventil in stromlosem Zustand schließt.
• Aus der DE 196 50 445 C1 ist ein Gas-Stellgerät für einen Gebläsebrenner in einer Heizungsanlage bekannt, das von einem Hubanker betätigt wird. Das Gas-Stellgerät weist eine Ventilspindel mit zwei Ventilverschlussgliedern auf, die zwei Ventilsitzen zugeordnet sind. Eine erste Druckfeder spannt beide Ventilverschlussglieder gegen ihre Ventilsitze vor. Eine zweite Druckfeder ist zwischen dem Ventilgehäuse und einer Mitnehmerscheibe vorgespannt, die an einer Einstellschraube anliegt. Die Ventilspindel hat Spiel in Bezug auf die Mitnehmerscheibe. Erst bei Ventilöffnungshüben, die ein einstellbares Maß überschreiten, wird die Mitnehmerscheibe von einem auf der Ventilspindel sitzenden Ring mitgenommen. Die Bestromung des Hubankers mit einem ersten niedrigen Strom öffnet das Ventil nur soweit, dass der auf der Ventilspindel sitzende Ring gerade an der Mitnehmerscheibe anliegt, die dann einen vorläufig festen Anschlag bildet. Erst eine größere Bestromung des Hubankers, die zur Überwindung der Vorspannung der zweiten Feder ausreicht, führt zu einer weiteren Öffnung des Ventils.
• Diese Maßnahme erlaubt einen zweistufigen Betrieb des Ventils.
• Für viele Anwendungen wird es jedoch gewünscht, eine Proportionalsteuerung vornehmen zu können. Dabei sollen die Ventilpositionen hysteresearm und präzise einstellbar sein, um gute Steuerungseigenschaften zu erreichen.
• Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Gasarmatur zu schaffen, die sich zur Proportionalsteuerung von Gasflüssen eignet.
• Diese Aufgabe wird mit der Gasarmatur nach Anspruch 1 gelöst:
  Die erfindungsgemäße Gasarmatur weist zumindest ein erstes Ventil auf, dessen Ventilverschlussglied durch eine erste Feder gegen einen Ventilsitz vorgespannt ist. Außerdem ist eine zweite Feder vorgesehen, die, wenn das Ventil in Schließstellung ist, nicht vorgespannt ist. Dadurch wird zunächst erreicht, dass das Ventil mit einer Kraft zu öffnen ist, die von der relativ schwachen ersten Feder bestimmt wird. Die erste Feder wird dabei so bemessen, dass die gewünschte Sicherheitsklasse des Ventils erreicht wird. Beispielsweise wird sie so eingestellt, dass das Ventil bei einem Gegendruck von 13 Millibar gerade noch nicht öffnet.
• Die nicht vorgespannte zweite, in Schließrichtung wirkende, Feder setzt in ihrer Wirkung unmittelbar nach dem Öffnen des Ventils ein. Durch die fehlende Vorspannung ist der Übergang von der Federkennlinie der ersten Feder auf die Federkennlinie der zweiten Feder stufenlos. Damit kann, bei geeigneter sonstiger Ausgestaltung, der Gasarmatur ein stufenloser und bedarfsweise auch linearer Zusammenhang zwischen der Kraft der Antriebseinrichtung und der Position der Ventilspindel erreicht werden. Der Bereich des Steuerstroms vom Öffnungsbeginn bis zur vollen Öffnung kann 1 : 2 bis 1 : 3 betragen. Der Bewegungsbereich des Ventilsverschlussglieds ist damit auf einen weiten Strombereich verteilt. Dies ermöglicht eine präzise Ventilsteuerung.
• Die zweite Feder ist vorzugsweise härter als die erste Feder, d. h. sie weist eine steilere Federkennlinie auf. Dadurch kann erreicht werden, dass das Ventil durch die erste schwächere Feder sicher geschlossen bleibt und zwar unabhängig von der präzisen Position des Federnullpunkts der zweiten, stärkeren Feder. Zugleich wird aber eine relativ große Rückstellkraft erzeugt, sobald das Ventil offen ist. Entsprechend groß sind die Positionierkräfte der Antriebseinrichtung ausgelegt, was Störeinflüsse mindert. Die Positionierung der Ventilspindel kann somit hysteresearm und unabhängig von sonstigen Störeinflüssen, wie Gasdruck und Gasgeschwindigkeit erfolgen.
• Die zweite Feder ist vorzugsweise mit geringem Spiel mit der Spindel verbunden, wobei sie sich an ihrem anderen Ende, beispielsweise lediglich an einer Druckscheibe abstützt. Auf diese Weise kann die zweite Feder kräftefrei über ihren Federnullpunkt hinaus bewegt werden, d. h. es ist möglich, die Schließkraft des Ventils allein durch die erste Feder festzulegen. Der Übergang von der Wirkung der ersten Feder auf die Wirkung der zweiten Feder bedeutet einen Knick hinsichtlich der sich ergebenden Federkennlinie - jedoch keinen Sprung. Es wird als vorteilhaft angesehen, diesen Knick genau auf den Punkt der Ventilöffnung zu legen. Eine entsprechende Einstellung ist möglich, wenn die zweite Feder über ein verstellbares Widerlager verfügt. Dieses kann am Ventilgehäuse oder an der Ventilspindel angeordnet sein. Letzteres wird wegen des einfacheren Aufbaus als vorteilhaft angesehen. In diesem Fall kann die zweite Feder auch spielfrei gehalten sein.
• Die Gasarmatur weist vorzugsweise ein zweites Ventil auf, das bezüglich der Gasdurchflussrichtung mit dem ersten Ventil in Serie vor oder hinter diesem angeordnet ist. Dabei ist das zweite Ventil vorzugsweise als AUF-ZU-Ventil ausgebildet, wobei seine Öffnungsweite durch entsprechende Anschlagmittel einstellbar ist. Dies ermöglicht die Anpassung an unterschiedlich Gasqualitäten und zwar von Flüssiggas (Propangas) bis zu Erdgas, selbst wenn dieses relativ energiearm ist. Das zweite Ventil bildet somit ein schaltbares und verstellbares Drosselmittel, mit dem die Gasarmatur außerdem an unterschiedliche Vorlaufdrücke anpassbar ist.
• Als Antriebseinrichtung für die beiden Ventile werden vorzugsweise Magnetantriebe vorgesehen. Diese können mit den Ventilspindeln zu einer vormontierten Einheit vereinigt sein, die außerdem vorabgeglichen ist. An dem Ventilgehäuse sind dann entsprechende Sitzflächen für die vormontierte Einheit ausgebildet, die in einem Arbeitsgang mit den entsprechenden Ventilsitzen ausgebildet worden sind. Dies ermöglicht einen Vorabgleich der vormontierten Einheit und somit erhebliche Produktionserleichterung.
• Das erste Ventil, das vorzugsweise als Proportionalventil ausgebildet ist, kann eine mit einem Steuerprofil versehene Spitze aufweisen, die als Drosselkegel wirkt. Dieser Drosselkegel ist ein vorzugsweise nicht gerader Kreiskegel, beispielsweise mit parabolischer Flankenkontur und Kreisquerschnitt. Diese ermöglicht es, einen linearen Zusammenhang zwischen der Ventilspindelposition und dem Gasfluss zu erreichen.
• Weitere vorteilhafte Einzelheiten von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Unteransprüchen. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
• Fig. 1 die erfindungsgemäße Gasarmatur in längsgeschnittener Prinzipdarstellung in geschlossenem Zustand,
• Fig. 2 die Gasarmatur nach Fig. 1 in Zündposition,
• Fig. 3 die Gasarmatur nach Fig. 1 in Betriebsstellung und
• Fig. 4 den Zusammenhang zwischen einem Ansteuerstrom und dem hinter der Gasarmatur anstehenden Gasdruck bei verschiedenen Gaseinstellungen des zweiten Ventils als Diagramm.
• In Fig. 1 ist eine Gasarmatur 1 veranschaulicht, die ein erstes Ventil 2 und ein zweites Ventil 3 aufweist. Beide sind in einem gemeinsamen Ventilgehäuse 4 untergebracht. Das Ventilgehäuse 4 ist beispielsweise ein Abschnitt eines Aluminiumstrangpressprofils, das beidseitig, d. h. in Fig. 1 parallel zur Zeichen- und Schnittebene ober- und unterhalb der Zeichenebene durch entsprechende Deckel verschlossen ist. Das Ventilgehäuse 4 weist einen Eingang 5 und einen Ausgang 6 auf, zwischen denen zwei Trennwände 7, 8 angeordnet sind, die den Weg von dem Eingang 5 zu dem Ausgang 6 unterbrechen. Jede Trennwand 7, 8 weist jeweils einen parallel zu einer ebenen Oberseite 9 des Ventilgehäuses 4 verlaufenden Abschnitt 11, 12 auf, in dem eine Bohrung 14, 15 vorgesehen ist, deren jeweiliger oberer Rand einen Ventilsitz 16, 17 bildet.
• Beiden Ventilsitzen 16, 17 ist jeweils eine Ventilspindel 18, 19 mit einem daran axial unverschiebbar befestigten Ventilverschlussglied 21, 22, z. B. in Form eines Elastomerrings zugeordnet. Beide Ventilspindeln 18, 19 sind jeweils in Axialrichtung auf den Ventilsitz 16, 17 hin, bzw. von diesem weg, bewegbar gelagert.
• Die Ventilspindeln 18, 19 gehören zu einer vormontierbaren Einheit 23, die auf die Oberseite 9 des Ventilgehäuses 4 aufgesetzt ist, wobei die Ventilspindeln 18, 19 in den Innenraum des Ventilgehäuses 4 ragen. Das Ventilgehäuse 4 weist dazu jeweils fluchtend zu den Bohrungen 14, 15 an seiner Oberseite gestufte Sitze 24, 25 auf, an denen O-Ringe 26, 27 eine Abdichtung zwischen dem Ventilgehäuse 4 und der Einheit 23 bewirken.
• Das erste Ventil 2 ist vorzugsweise als Proportionalventil ausgebildet. Seine Ventilspindel 19 weist an ihrem von dem Ventilsitz 16 abliegenden Ende eine ggf. gestufte Sackbohrung 28 auf, an deren Boden sich eine erste Feder 29 abstützt. Ihr Widerlager findet die Feder 29 an einem gestuften Bolzen 31, der ggf. als Einstellschraube ausgebildet sein kann. Dieser stützt sich seinerseits an einem Becher 32 ab, der die Ventilspindel 18 aufnimmt und der einen an dem Ventilgehäuse 4 an dem O-Ring 26 abgedichtet aufgenommenen Flansch aufweist. Der Becher 32 ragt in die zentrale Öffnung einer Magnetspule 33, die ihrerseits in einem Joch 34 sitzt. Zur Befestigung und Lagerung können Kunststoffelemente 35, 36 dienen, zwischen denen eine Feder 37 sitzt. Die Feder 37 spannt die beiden Kunststoffelemente 35, 36 voneinander weg vor. Das Kunststoffelement 36 kann mit einem scheibenartigen Kopf in eine Öffnung des Jochs 34 greifen und somit die Magnetspule 33 in dem Joch 34 verrasten.
• Die erste Feder 29 weist eine solche Länge auf, dass sie die Ventilspindel 18 gegen den Ventilsitz 16 vorspannt. Die Federkennlinie ist relativ flach, so dass die von der Feder 29 aufgebrachte Kraft in nahezu jeder Ventilspindelposition im Wesentlichen gleich ist.
• Zusätzlich ist eine zweite Feder 38 vorgesehen, die sich mit einem Ende an einer entsprechenden Anlagefläche in der Nähe des Sitzes 24 abstützt. Ihr anderes Ende ist an einer Ringfassung 39 gehalten, die in eine entsprechende Ringnut der Ventilspindel 18 eingerastet ist. Die Feder 38 weist dabei eine deutlich steilere Federkennlinie auf als die Feder 29. Sie ist in ihrer Länge jedoch so bemessen, dass sie vollkommen entspannt ist, wenn das Ventilverschlussglied 21 auf dem Ventilsitz 16 sitzt. Bedarfsweise kann die Ringfassung 39 mit einem Gewinde versehen sein, um eine diesbezügliche Einstellung zu ermöglichen.
• Die Ventilspindel 19 ist ebenfalls mit einem Ende in einem Becher 41 abgedichtet geführt, der an seinem unteren Flansch an dem O-Ring 25 abgedichtet gehalten ist. Der Becher 41 erstreckt sich in die Zentralöffnung einer Magnetspule 42, die über zwei Kunststoffelemente 43, 44 und eine dazwischen angeordnete Druckfeder 45 in dem Joch 34 gehalten ist.
• Der Becher 41 weist an seinem oberen Ende eine Öffnung auf, in der eine Gewindebuchse 46 sitzt. In dieser ist über einen O-Ring 47 abgedichtet, eine Einstellschraube 48 gehalten, deren untere Stirnseite 49 als Anschlag für die Ventilspindel 19 dient. Die Einstellschraube 48 ist dabei vorzugsweise gestuft ausgebildet, um mit einer Ringschulter an der Gewindebuchse 46 anzustoßen, wenn sie zu weit herausgeschraubt wird. Ein auf der Einstellschraube 48 sitzender Ring 51 dient als Anschlag, um ein zu weites Hineinschrauben der Einstellschraube 48 zu verhindern. Der Ring 51 ist dabei so positioniert, dass er an der Buchse 46 anschlägt, bevor das Ventilverschlussglied 22 auf dem Ventilsitz 17 aufsetzt.
• Zur Vorspannung des zweiten Ventils 3 in Schließrichtung ist eine Druckfeder 52 vorgesehen, die den in dem Ventilgehäuse 4 befindlichen Teil der Ventilspindel 19 konzentrisch umgibt. Die Druckfeder 52 stützt sich einen Ends an einer mit der Ventilspindel 19 fest verbundenen Scheibe 53 und anderen Ends an einem an dem Sitz 25 angeordneten Scheibe ab.
• Die insoweit beschriebene Gasarmatur 1 arbeitet wie folgt:
  Im Ruhezustand sind beide Magnetspulen 33, 42 stromlos d. h. entregt. Die Druckfeder 52 drückt die Ventilspindel 19 mit dem Ventilverschlussglied 22 gegen den Ventilsitz 17. Das Ventil 3 ist geschlossen. Die Druckfeder 29 drück die Ventilspindel 18 mit dem Ventilverschlussglied 21 gegen den Ventilsitz 16. Das Ventil 2 ist geschlossen. Die Druckfeder 38 ist kräftefrei, d. h. in dieser Position vollständig entspannt. Dieser Zustand ist in Fig. 1 veranschaulicht.
• Fig. 2 veranschaulicht die Gasarmatur 1 bei der Freigabe einer zum Zünden eines angeschlossenen Brenners geeigneten Gasmenge. Die Magnetspule 42 ist bestromt, d. h. erregt, so dass die Ventilspindel 19 von dem Ventilsitz 17 weg bewegt ist. Die Ventilspindel 19 stößt dabei an der Stirnfläche 49 der Einstellschraube 48 an. Das Ventil 2 ist somit vollständig offen. Seine Öffnungsweite ist durch die Position der Einstellschraube 48 festgelegt.
• Zugleich wird die Magnetspule 33 so angesteuert, dass das Ventil 2 zu öffnen beginnt. Zu Beginn der Öffnungsbewegung ist nur die Kraft der Druckfeder 29 zu überwinden, so dass ein geringer Strom von etwa 150 bis 170 mA ausreicht, das Ventilverschlussglied 21 von dem Ventilsitz 16 abzuheben. Die Öffnungsweite des Ventils 2 ist dabei relativ gering. Im Anschluss an das Ventilverschlussglied 21 setzt sich die Spitze der Ventilspindel 18 zunächst als sehr steiler Kegel oder als Zylinder fort, der mit der inneren Wandung der Bohrung 14 einen engen Drosselspalt einschließt. Die Länge des zylindrischen oder steilkegeligen Abschnitts der Ventilspindel 18 ist dabei etwa so groß wie der Weg, den die Ventilspindel 18 durchlaufen muss bis die Feder 38 zu wirken beginnt, d. h. spielfrei zwischen ihren Widerlagern sitzt. In Fig. 4 ist dies im Diagramm in einem Abschnitt A veranschaulicht. Die Öffnung des Ventils 2bewirkt somit einen geringen Brennerdruck von beispielsweise etwa 3 Millibar.
• Hat der Brenner gezündet und soll dieser nun mit höherer Leistung betrieben werden, wird die Erregung der Magnetspule 33 über den Spulenstrom so eingestellt, dass die Ventilspindel 18 weiter von dem Ventilsitz 16 weg bewegt wird. Der Strom der Magnetspule 33 steuert dabei die Position der Ventilspindel 18 und somit die Öffnungsweite des Ventils 2. Je nach dem in welche Position die Ventilspindel 18 gestellt wird, wird das Ventil 2 mehr oder weniger weit freigegeben. Es ergibt sich der in Fig. 4 veranschaulichte lineare Zusammenhang zwischen dem Spulenstrom und dem Gasdruck an dem angeschlossenen Brenner. Die Kurve I veranschaulicht dies für einen angeschlossenen Flüssiggasbrenner. Eine zweite Kurve II veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Strom und Brennerdruck auf dem Rückweg beim Schließen des Ventils 2. Die vorhandene Hysteresis ist relativ gering. Der Übergang der Kennlinie vom Abschnitt A zu der Kurve I ist stufenlos.
• In Fig. 4 veranschaulichen die Kennlinienäste III, IV den Zusammenhang zwischen dem Strom der Magnetspule 33 und dem Gasdruck am angeschlossenen Brenner, wenn der Brenner für Erdgas eingerichtet und die Einstellschraube 48 auf eine entsprechende Drosselposition eingestellt ist. Wie ersichtlich, sind die Kurvenäste wiederum linear, wobei die Hysteresis gering ist.
• Bei jeder Einstellung arbeitet die Ventilspindel 18 an der Kennlinie der Feder 38. Dabei besteht ein Kräftegleichgewicht zwischen der Federkraft und der Kraft der Magnetspule 33. Aufgrund der hohen Federsteifigkeit der Feder 38 ist die Ventilspindel 18 jeweils durch ausreichend große Kräfte in ihrer gewünschten Sollposition gehalten, so dass Störeinflüsse keine Verstellung der Ventilspindel 19 bewirken.
• Die erfindungsgemäße Gasarmatur 1 weist ein erstes Ventil 2 auf, das zwei Schließfedern 29, 38 aufweist. Während die Schließfeder 29 vorgespannt ist, ist die Feder 38 so eingerichtet, dass sie im Schließpunkt des Ventils 2 gerade vollkommen entspannt ist oder sogar mit einem gewissen Spiel gehalten ist. Auf diese Weise öffnet das Ventil 2 schon mit relativ geringem Spulenstrom, wobei zur vollständigen Öffnung ein relativ hoher Spulenstrom erforderlich ist. Somit kann ein großer Strombereich von beispielsweise 170 bis 400 mA für einen Einstellweg der Ventilspindel 18 von wenigen, z. B. 4 mm, genutzt werden. Dies ergibt eine gute Auflösung, Wiederkehrgenauigkeit und Ansteuerbarkeit des Ventils 2.

Claims (14)

1. Gasarmatur (1), insbesondere zur Proportionalsteuerung von Gasflüssen, mit einem ersten Ventil (2), dessen Ventilverschlussglied (21) durch eine erste Feder (29) gegen einen Ventilsitz (16) vorgespannt und mit einer zweiten Feder (38) verbunden ist, die nicht vorgespannt ist.

2. Gasarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Feder (38) eine steilere Federkennlinie aufweist als die erste Feder (29).

3. Gasarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Feder (38) in der gleichen Richtung wirkt wie die erste Feder (29).

4. Gasarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem ersten Ventil (2) ein zweites Ventil (3) in Serie angeordnet ist, dessen Ventilspindel (19) durch eine Antriebseinrichtung (42) gegen einen justierbaren Anschlag zu bewegen ist.

5. Gasarmatur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der justierbare Anschlag eine Einstellschraube (48) ist.

6. Gasarmatur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstellschraube (48) ein Festanschlag (51) zugeordnet ist, dessen Position einer Einstellschraubenstellposition entspricht, in der das Ventilverschlussglied (22) den Ventilsitz (17) nicht berührt.

7. Gasarmatur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (3) ein Auf/Zu-Ventil ist.

8. Gasarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Ventil eine elektrische Antriebseinrichtung (42) zugeordnet ist, die eine steuersignalproportionale Antriebskraft erzeugt.

9. Gasarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Feder (29) und die zweite Feder (38) ihren Kraftnullpunkt an unterschiedlichen Positionen haben.

10. Gasarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließkraft des ersten Ventilverschlussglieds (21) ausschließlich von der ersten Feder (29) aufgebracht ist.

11. Gasarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkennlinie der zweiten Feder (38) einen Kraftnullpunkt an der Stelle aufweist, an der des Ventilverschlussglied (21) auf seinem Ventilsitz (16) aufsitzt.

12. Gasarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasarmatur ein Ventilgehäuse (4) aufweist und dass die zweite Feder (38) zwischen einer Anlagefläche des Ventilgehäuses (4) und einem verstellbaren Widerlager (39) gehalten ist, das an einer das Ventilverschlussglied (21) tragenden Ventilspindel (18) angeordnet ist.

13. Gasarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtungen (33, 42) mit den Ventilspindeln (18, 19) und deren Ventilverschlussgliedern (21, 22) eine vormontierbare Einheit bilden, die auf ein Ventilgehäuse (4) aufgesetzt sind.

14. Gasarmatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilspindel (18) des ersten Ventils (2) eine mit einem Steuerprofil versehene Spitze aufweist.