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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Gasdurchflussregeleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Regeleinrichtungen für Gasbrenner
sind zum Regeln der Gaszufuhr zu dem Gasbrenner vorgesehen und sind
zwischen einer Gaszufuhrquelle und dem Gasbrenner angeordnet. Nach
dem Stand der Technik sind verschiedene Regeleinrichtungen für Gasbrenner
bekannt und weisen beispielsweise ein Hauptventil, eine Differenzdruckerzeugungseinrichtung
und einen zugehörigen
Regler auf. Dabei dient nach dem Stand der Technik der Regler der
Einstellung eines Gasausgangsdrucks auf einen Sollwert.
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Zur Einstellung eines Gasausgangsdrucks wird
nach dem Stand der Technik zwischen zwei Kanälen ein Differenzdruck erzeugt
und eingestellt. Zwischen den Kanälen ist ein Ventil angeordnet,
dessen Ventilelement mit einer Vorspannvorrichtung in die Schliessrichtung
vorgespannt wird. Ein erzeugter Differenzdruck ermöglicht das Öffnen des
Ventils gegen die Vorspanneinrichtung, wodurch eine Gasströmung ermöglicht wird.
Durch Einstellen des Differenzdrucks zwischen dem ersten Kanal und
dem zweiten Kanal kann zudem der Gasausgangsdruck eingestellt werden.
Dabei wird nach dem Stand der Technik der Differenzdruck beispielsweise
durch eine Vorrichtung erzeugt, die über externe Leitungen mit den jeweiligen
Druckbereichen der Gasdurchflussregeleinrichtung verbunden sind.
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Aus der
DE 100 26 035 C2 ist eine
Regeleinrichtung für
Gasbrenner bekannt, die ein Hauptventil und ein Servoventil aufweist,
wobei über
das Servoventil die Öffnung
des Hauptventils geregelt wird. Weiterhin ist für die Betätigung des Servoventils ein Aktuator
vorgesehen, der frequenzmoduliert betrieben wird, um das Servoventil
dieser Frequenz folgend zu öffnen
und zu schließen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
verbesserte Gasdurchflussregeleinrichtung zu schaffen, die bei einfacher
Konstruktion eine gute Modulation des Gasdurchflusses erlaubt und
auch über
einen längeren
Betriebszeitraum Gasdichtheit gewährleistet, um Leckströme sicher
zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird mittels einer Gasdurchflussregeleinrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß hat die Gasdurchflussregeleinrichtung
einen Gaseinlass und einen Gasauslass an einem druckführenden
Gehäuse,
in dem eine Zwischenkammer durch eine Membran von dem Gaseinlass
getrennt ist, wobei durch einen Differenzdruck zwischen dem Einlass
und der Hilfskammer eine Ventilanordnung betätigbar ist, um eine Strömung von
dem Gaseinlass zu dem Gasauslass einzustellen. Bei dieser Gasdurchflussregeleinrichtung ist
eine Servopumpe in dem Gehäuse
vorgesehen, die den Differenzdruck durch Pumpen des Gases von der
Hilfskammer zu dem Gaseinlass bewirkt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung ist bei der Gasdurchflussregeleinrichtung die Servopumpe
an einer Trennwand angeordnet, die die Hilfskammer von dem Kanal
des Gaseinlasses trennt.
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Erfindungsgemäß ist also die Pumpe innerhalb
der Regeleinrichtung an einer Position angeordnet, an der Bereiche
der Regeleinrichtung, zwischen denen der Differenzdruck vorliegt,
aneinander angrenzen. Somit ist es möglich, Rohrverbindungen und
insbesondere Durchbrüche
durch Wände
der druckführenden
Elemente der Regeleinrichtung zwischen der Servopumpe und den entsprechenden
Bereichen zu vermeiden. Damit wird eine Regeleinrichtung mit gutem
Ansprechverhalten und einer erhöhten
inhärenten
Sicherheit geschaffen, da weniger Bauteile vorgesehen sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung weist die Gasdurchflussregeleinrichtung eine Überströmvorrichtung
auf, die eine permanente Fluidverbindung zwischen der Hilfskammer und
dem Kanal des Einlasses bildet. Dabei hat die Überströmvorrichtung mehrere Funktionen.
Zum einem wird ermöglicht,
dass der Druck am Gaseinlass in der Hilfskammer vorliegt, wenn beispielsweise
die Servopumpe nicht in Betrieb ist. Dadurch kann der Druck an der
Rückseite
der Membran wirken und das Ventilelement mit einer erhöhten Kraft
auf den Ventilsitz pressen. Zum Anderen hat die Überströmvorrichtung beim Betrieb der
Pumpe eine Drosselfunktion, so dass der Druck in der Hilfskammer
gesenkt werden kann. Außerdem
trägt die Überströmvorrichtung zur
inhärenten
Sicherheit des Systems bei, da beim Ausfall der Servopumpe das Ventil
geschlossen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung besteht die Überströmvorrichtung
aus zumindest einer Öffnung,
die an der Trennwand angeordnet ist, die die Hilfskammer von dem
Kanal des Gaseinlasses trennt, und/oder aus zumindest einem Kanal
besteht, der an der Servopumpe vorgesehen ist. Beispielsweise kann
ein Loch in der Trennwand vorgesehen sein. Das Loch kann jedoch
auch an der Membran vorgesehen sein. Die Position des Lochs bzw.
der Überströmvorrichtung
ist frei wählbar,
solange eine ständige
Fluidverbindung zwischen der Hilfskammer und dem Kanal des Einlasses
ermöglicht wird.
Die Überströmvorrichtung
kann auch als ein Kanal in der Servopumpe ausgebildet sein. Besteht
die Ventilanordnung aus mehr als einem Ventil, so besteht vorzugsweise
die Überströmvorrichtung
aus einer Anzahl von Öffnungen
bzw. Kanälen,
die der Anzahl der Ventile entspricht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung weist die Ventilanordnung zumindest zwei funktionell getrennte
Ventile auf. Dabei sind die Ventile bezüglich der Strömung in
Reihe angeordnet. Das ist insbesondere wirksam, um die inhärente Sicherheit
des Systems und insbesondere der passiven Ventile zu erhöhen. Sollte
ein Element eines Ventils versagen, kann das andere Ventil die Strömung des
Gases bei abgeschalteter Servopumpe sperren. Wenn beispielsweise
eine Feder eines Ventils versagen sollte, so kann das Ventilelement
nicht mehr selbsttätig
auf den Ventilsitz aufgesetzt werden. Es können auch mehr als zwei Ventile
vorgesehen sein. Außerdem
können
Parameter der Ventilanordnung, wie z.B. die Federsteifigkeiten der
Federn, die effektiven Flächen
der Membranen, so eingestellt werden, dass ein vorteilhaftes Ansprechverhalten
des Gesamtsystems erhalten werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung schließt
die Ventilanordnung die Verbindung zwischen dem Gaseinlass und dem
Gasauslass, wenn der Differenzdruck kleiner als ein vorbestimmter
Wert ist. Damit wird bewirkt, dass nur beim Betrieb der Servopumpe
eine Strömung
bewirkt wird. Außerdem
kann die Strömung
(Druck, Durchflussmenge) durch Einstellen bzw. Regeln der Servopumpe
eingestellt werden. Sollte die Pumpe ausfallen, schließt sich
die Ventilanordnung selbsttätig,
so dass der Durchfluss gesperrt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung presst der Druck in der Hilfskammer das Ventilelement
bei geschlossenem Ventil auf den Ventilsitz. Wenn also der Druck
in der Hilfskammer und bei ausgeschalteter Servopumpe auch in dem Kanal
des Gaseinlasses sich erhöht,
steigt auch die Kraft an, mit der die Membran das Ventilelement
auf den Ventilsitz presst. Damit kann anforderungsgemäß eine erhöhte Dichtigkeit
bei erhöhten
Druck im Gaseinlass erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung ist eine Vorspannvorrichtung zum Schließen der
Verbindung an einem Ventilelement bzw. der Membran vorgesehen. Mit
der Vorspanneinrichtung, die beispielsweise als Feder ausgebildet sein
kann, wird ein selbsttätiges
Schließen
des Ventils ermöglicht,
wenn die Servopumpe ausgeschaltet ist. Außerdem wird dadurch die Sicherheit
des Gesamtsystems erhöht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung ist die Servopumpe eine elektrisch betriebene Pumpe. Dadurch
wird bewirkt, dass lediglich elektrische Verbindungen in den Bereich
der Zwischenwand zwischen der Hilfskammer und dem Kanal des Gaseinlasses
vorgesehen werden müssen. Außerdem ist
eine elektrische Pumpe einfach regelbar.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Regeleinrichtung
für Gasbrenner.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Regeleinrichtung
für Gasbrenner.
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Zunächst wird auf der Grundlage
von 1 ein erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung
für Gasbrenner
beschrieben.
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In der 1 ist
die Regeleinrichtung schematisch dargestellt. Die Regeleinrichtung
weist einen Gaseinlass 1 und einen Gasauslass 10 auf.
In dem Durchgang zwischen dem Gaseinlass 1 und dem Gasauslass 10 ist
eine Ventilanordnung bestehend aus einem Ventilelement 5,
einem Vorspannelement 4 und einem Ventilsitz 6 angeordnet.
Das Vorspannelement 4 presst im drucklosen Zustand das
Ventilelement 5 gegen den Ventilsitz 6 und sperrt
die Verbindung zwischen dem Gaseinlass 1 und dem Gasauslass 10.
An dem Gaseinlass 1 in Strömungsrichtung ist eine Hilfskammer 11 vorgesehen.
Zwischen der Hilfskammer 11 und dem Gaseinlass 1 ist
eine Überströmvorrichtung 3 ausgebildet, über die
der Gaseinlass 1 ständig
in Verbindung mit der Hilfskammer 11 steht. Die Überströmvorrichtung 3 ist
in diesem Ausführungsbeipiel
als ein Loch in der Trennwand zwischen der Hilfskammer und dem Gaseinlass
ausgebildet.
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Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Hilfskammer 11 an dem Kanal angeordnet, der sich
von dem Gaseinlass 1 in Strömungsrichtung zu dem Ventil
erstreckt. Insbesondere liegt eine Membran 9 zwischen dem
Kanal, der sich von dem Gaseinlass 1 erstreckt, und der
Hilfskammer 11. Dabei ist die Membran 9 in der
Trennwand angeordnet.
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Das Ventilelement 5 ist
zum Verschließen
eines Ventilsitzes 6 in dessen Richtung ausgerichtet und
an einer Seite der Membran 9 angeordnet, die zu dem Ventilsitz
ausgerichtet ist. Dieser Ventilsitz 6 mündet in den Kanal des Gasauslasses 10.
Die Feder 4 spannt die Membran 9 und damit das
Ventilelement 5 in drucklosem Zustand des Systems auf den Ventilsitz 6 und
sperrt so die Verbindung zwischen dem Gaseinlass 1 und
dem Gasauslass 10.
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Erfindungsgemäß ist in dem druckführenden Gehäuse eine
Servopumpe 2 vorgesehen. Diese Servopumpe 2 ist
so angeordnet, dass sie das Fluid von der Hilfskammer 11 zu
dem Kanal des Gaseinlasses 1 fördern kann. Die Servopumpe 2 ist
vorzugsweise eine elektrisch betriebene Pumpe. Die elektrische Leistung
wird der Servopumpe 2 über
elektrische Leitungen zugeführt,
die durch eine der Außenwände verlegt
sind. Die Servopumpe 2 kann so an der Trennwand angeordnet
sein, dass die Servopumpe 2 die Trennwand durchdringt.
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Jedoch kann die Servopumpe 2 an
einem beliebigen Ort in dem druckführenden Gehäuse angeordnet sein, wobei
dann innerhalb des Gehäuses Leitungen
zur Verbindung der Servopumpe 2 mit der Hilfskammer 11 sowie
mit dem Kanal des Gaseinlasses 1 vorgesehen werden müssen.
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Im Folgenden wird der Betrieb der
erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung
beschrieben.
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Im drucklosen Zustand wird der Ventilsitz 5 des
Ventils durch die Kraft der Feder 4 gegen den Ventilsitz 6 gepresst.
Damit ist der Durchgang zwischen dem Gaseinlass 1 und dem
Gasauslass 11 gesperrt. Wird an dem Gaseinlass 1 ein
Druck aufgebracht, der höher
als der Druck im Gasauslass 10 ist, so wird das Ventilelement 5 zusätzlich zu
der Vorspannkraft der Feder 4 auch durch diejenige Kraft
auf den Ventilsitz 6 gepresst, die sich durch den Druck
in der Hilfskammer auf die Membran 9 ergibt. Wird die Servopumpe 2 betrieben,
strömt
Fluid bzw. Gas von der Hilfskammer in Richtung des Gaseinlasses 1 und durch
die Überströmvorrichtung 3 zurück in die
Hilfskammer 11. Durch die Drosselwirkung der Überströmvorrichtung 3 wird
der Druck in der Hilfskammer 11 bezüglich des Drucks in dem Gaseinlass 1 vermindert,
wodurch sich der Differenzdruck zwischen der Hilfskammer und dem
Gaseinlass bildet. Da die Durchsatzmenge der Servopumpe 2 einstellbar
ist, kann auch der Differenzdruck zwischen dem Kanal des Gaseinlasses 1 und
der Hilfskammer 11 eingestellt werden. D.h., der Differenzdruck
kann einen Wert annehmen, bei dem das Ventilelement 6 gegen die
Vorspannkraft der Feder 4 von dem Ventilsitz 6 abhebt,
sobald der Betrag der Summe der Druckkräfte, die an der Membran 9 wirken,
größer ist
als der Betrag der Federkraft der Feder 4.
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Wenn das Ventilelement 5 von
dem Ventilsitz 6 abhebt, wird der Durchgang zwischen dem
Gaseinlass 1 und dem Gasauslass 11 freigegeben
und kann das Gas von dem Gaseinlass 1 zu dem Gasauslass 10 strömen.
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Durch Einstellen der Durchsatzmenge
der Servopumpe 2 wird die Durchsatzmenge durch die Regeleinrichtung
zusätzlich
in Abhängigkeit
von den Drücken
eingestellt, die an dem Gasauslass 10 und dem Gaseinlass 1 vorliegen.
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Wird die Servopumpe 2 abgeschaltet,
presst die Feder 4 die Membran 9 und damit den
Ventilkörper 5 in
Richtung des Ventilsitzes 6, wodurch der Durchgang zwischen
dem Gaseinlass 1 und dem Gasauslass 10 geschlossen
wird.
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Wenn die Servopumpe unbeabsichtigt
abgeschaltet wird, ausfällt
oder die Energiezufuhr fehlt, wird das Ventil geschlossen. Dadurch
wird ein Fail-Safe-Betrieb sichergestellt, bei dem bei einer Fehlfunktion
der Servopumpe 2 verhindert wird, das die Strömung des
Gases bzw. des Fluids unbeabsichtigt fortgesetzt wird.
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Erfindungsgemäß ist die Pumpe in der Regeleinrichtung
angeordnet. Insbesondere ist die Servopumpe an dem Element angeordnet,
das die Hilfskammer 11 und den Kanal des Gaseinlasses 1 trennt. Die
elektrisch betriebene Servopumpe 2 wird über Leitungen
mit elektrischer Energie versorgt, die durch eine der Wände der
Regeleinrichtung hindurch geführt
sind. Es sind somit keine weiteren Gasleitungen erforderlich, um
die Servopumpe 2 mit der Hilfskammer 11 und dem
Kanal des Gaseinlasses 1 zu verbinden. Damit ergibt sich
eine erhöhte
Sicherheit, da eine Verringerung von Anschlüssen, Rohrleitungen und dergleichen,
eine Verringerung von Schadensursachen bewirkt.
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Im folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel
der Regeleinrichtung für
Gasbrenner gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Der Aufbau der Regeleinrichtung gemäß 2 ist dem in 1 gezeigten ähnlich. An dieser Stelle werden
nur die Unterschiede des zweiten Ausführungsbeispiels zu dem ersten
Ausführungsbeispiel
beschrieben.
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Bei dem Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels
ist ein Gaseinlass 1 mit einem Kanal, eine Hilfskammer 11 und
ein Gasauslass 10 ebenfalls aneinander angrenzend angeordnet.
Zwischen der Hilfskammer 11 und dem Kanal des Gaseinlasses 1 ist
eine Trennwand angeordnet, an der eine Servopumpe 2 angeordnet
ist, die das Fluid bzw. das Gas von der Hilfskammer 11 in
den Kanal des Gaseinlasses 1 fördern kann. Außerdem ist
eine Ventilanordnung mit einem Ventilelement 5, einer Feder 4 und
einem Ventilsitz 6 vorgesehen. Der Ventilsitz 6 mündet jedoch
nicht direkt in den Gasauslass 10, sondern ist in Verbindung
mit einer zweiten Ventilanordnung. Die Feder 4' der zweiten
Ventilanordnung ist in einer zweiten Hilfskammer 11' angeordnet
und an einer ihrer Wände
angebracht. Die zweite Hilfskammer 11' steht mit der ersten
Hilfskammer 11 über
eine Öffnung 12 in
Verbindung. Die Öffnung 12 zwischen
der ersten Hilfskammer 11 und der zweiten Hilfskammer 11' kann
so ausgelegt sein, dass sie eine vorbestimmte Drosselwirkung hat.
Damit kann das Ansprechverhalten der Ventilanordnung abgestimmt werden.
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Wenn die Servopumpe 2 betrieben
wird, so dass der Differenzdruck zwischen den Hilfskammern 11 und 11' sowie
dem Kanal des Einlasses 1 ausreicht, um das erste Ventilelement 5 von
dem ersten Ventilsitz 6 sowie das zweite Ventilelement 5' von dem
zweiten Ventilsitz 6' abzuheben, wird die Strömung des
Gases von dem Gaseinlass 1 über den ersten Ventilsitz 6 und
den zweiten Ventilsitz 6' zu dem Gasauslass ermöglicht.
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Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird
die Sicherheit der Regeleinrichtung weitergehend erhöht, da bei
Versagen von Elementen von einer der Ventilanordnungen die zweite
Ventilanordnung in der Lage ist, bei abgeschalteter Servopumpe 2 den
Durchfluss des Gases hinreichend sicher zu sperren.
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Vorzugsweise besteht die Überströmvorrichtung 3 des
zweiten Ausführungsbeispiels
aus zumindest zwei getrennten Öffnungen.
Damit wird bewirkt, dass zwei voneinander strukturell getrennte
Ventilsysteme vorgesehen sind, bei denen jeweils eine Öffnung für eines
der Ventilsysteme vorgesehen ist. Bei Verstopfen einer der Öffnungen
der Überströmvorrichtung 3 steht
noch die zweite Öffnung
zur Verfügung
und stellt die Funktion des Gesamtsystems mit nur einer Servopumpe 2 sicher.
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Außerdem kann das Ansprechverhalten
der gesamten Regeleinrichtung mit zwei Ventilanordnungen durch Einstellen
von Parametern, wie z.B. Federsteifigkeit, Ventilelementdurchmesser
und -masse, effektive Membranfläche
u.a., beeinflusst werden.
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Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform
der Erfindung, die im wesentlichen dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeipiel
entspricht, ist die Überströmvorrichtung 3 an
der Servopumpe 2 vorgesehen. Wie bei dem ersten und dem
zweiten Ausführungsbeispiel
ist dabei die Servopumpe 2 an der Trennwand angeordnet,
die die Hilfskammer 11 von dem Gaseinlass 1 trennt.
Gemäß dieser
Ausführungsform
ist ein Kanal in der Servopumpe 2 vorgesehen, die die Hilfskammer 11 mit
dem Kanal des Gaseinlasses 1 verbindet. Wenn die Überströmvorrichtung 3 aus
mehr als einer Öffnung
besteht, können
diese Öffnungen
allesamt in der Servopumpe 2 vorgesehen sein. Es ist jedoch
auch möglich,
mehrere Öffnungen
an der Servopumpe 2 und der Trennwand vorzusehen.