DE60116859T2

DE60116859T2 - Gasventil mit druckprüfung

Info

Publication number: DE60116859T2
Application number: DE60116859T
Authority: DE
Inventors: E. John Edina JOHN
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2021-03-01
Also published as: EP1259763B1; ATE316645T1; CA2401618A1; DE60116859D1; WO2001065182A2; WO2001065182A3; US6571817B1; EP1259763A2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft Gasventile, die in Kraftstoffverbrennungsvorrichtungen benutzt werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Gasventil, das durch die Gewährleistung, dass Verbrennungsluft vorhanden ist, bevor Gas für die Brennkammer bereitgestellt wird, sicher funktioniert.
In Heizsystemen zur Kraftstoffverbrennung werden Gasventile typischerweise benutzt, um den Strom des Kraftstoffs in eine Brennkammer zu steuern. Mehrere unterschiedliche Verfahren sind zum Betreiben dieses Gasventils angewendet worden. Im Allgemeinen wird das Gasventil betriebsbereit an einem Thermostat befestigt. Wenn der Thermostat Wärme anfordert, wird das Gasventil betätigt und Gas wird für die Brennkammer bereitgestellt. Andere Bestandteile des Heizsystems (Gebläse, Lüftungsöffnungen usw.) werden ebenfalls betätigt, um das Erwärmen der Luft zu bewirken, die so an einem Ofenausgang bereitgestellt wird.
Wie man versteht, ist das Vorhandensein von Verbrennungsluft wesentlich, um die Verbrennung des Verbrennungskraftstoffs zu ermöglichen. Wenn keine Verbrennungsluft vorhanden ist und das Gasventil geöffnet wird, wird eine potenziell gefährliche Situation geschaffen.
Ein Verfahren zum Sicherstellen, dass Verbrennungsluft in der Brennkammer vorhanden ist, umfasst die Benutzung eines Druckschalters, der betrieblich mit der Brennkammer verbunden ist. Insbesondere wird ein Druckschalter derart befestigt, dass sein Einlass mit der Brennkammer verbunden wird. Wenn folglich der Druck über einem vorbestimmten Pegel liegt, wird dieser Druckschalter geschlossen. Dieser Schalter kann dann als Sicherheitssystem für den Ofen benutzt werden. Insbesondere kann der Ofen nicht betrieben werden, wenn dieser Druckschalter nicht geschlossen ist.
Bedauerlicherweise sind die typischen, auf diese Weise benutzten Druckschalter groß und sperrig. Diese Druckschalter sind typischerweise flache Druckschalter, die typischerweise scheibenförmig gestaltet sind und einen Durchmesser von drei Zoll aufweisen. Diese Druckschalter nehmen Raum ein und sind nicht leicht in ein Heizsystem zu integrieren. Auch stellt dieser Schalter nur einen Zweipunktauslass bereit. Folglich stellen die Schalter keine zusätzlichen Informationen bereit, die sich bei dem Betrieb des Ofens als nützlich erweisen könnten. Außerdem kann der Druckpegel, bei dem sich der Schalter schließt, nach der Installation des Schalters nicht eingestellt werden.
Folglich hat diese Art Drucksensor viele Nachteile und ist für den Gebrauch keine sehr nützliche Vorrichtung.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine integrierte Lösung bereit, die ein Gasventil für eine Brennkammer sicher und effizient betreibt. Neben den typischen Funktionen eines Gasventils (das heißt, Steuerung des Kraftstoffs für eine Brennkammer) weist das Ventil einen integrierten Verbrennungsluftsensor zum Überwachen der Verbrennungsluft auf. Die Ausgabe aus dem Sensor wird zu einer Steuereinheit bereitgestellt, die verhindert, dass das Ventil und/oder der Ofen betrieben werden, wenn keine Verbrennungsluft vorhanden ist.
Alle Bestandteile des Gasventils mit Druckprüfung sind in einem einzigen Gehäuse enthalten. Diese Bestandteile weisen das Ventilelement, die Steuereinheit und einen Verbrennungsluftsensor und alle nötigen Einlass- und Auslassöffnungen auf. Insbesondere weist das Gehäuse eine Kraftstoffeinlassöffnung, eine Kraftstoffauslass öffnung und eine Luftstromeinlassöffnung auf. Die Kraftstoffeinlassöffnung und die Kraftstoffauslassöffnung liegen an gegenüberliegenden Seiten des Ventilelements, so dass der Strom des dadurch strömenden Kraftstoffs gesteuert wird. Ähnlich steht die Luftstromeinlassöffnung mit dem Verbrennungsluftsensor in Verbindung, um seinen effizienten Betrieb zu ermöglichen. Neben diesen Einlässen werden alle notwendigen elektrischen Verbindungen durch die Öffnungen in dem Gehäuse bereitgestellt. Diese elektrischen Verbindungen umfassen diejenigen, die zur Kommunikation mit der Steuereinheit notwendig sind. Ferner werden Verbindungen zu einem externen Thermostat bereitgestellt, so dass die Grundfunktion des Ventils ermöglicht wird.
Da der Verbrennungsluftsensor in dem Ventilgehäuse selbst enthalten ist, wird auch eine zusätzliche Funktionalität und Einfachheit der Verdrahtung bereitgestellt. Typischerweise wird ein Ventilator oder ein Gebläse einer bestimmten Art mit dem Ofen in Verbindung gebracht. Dieser Ventilator könnte mit der Steuereinheit derart verbunden werden, dass er den Luftstrom je nach Bedarf reguliert. Neben dem Fühlen des Vorhandenseins eines Luftstroms könnte der Luftstrom selbst auf diese Weise spezifisch gesteuert werden. Spezifische Luft-Gas-Verhältnisse können dann in der Brennkammer erreicht werden. Ohne den Luftstromsensor innerhalb des Gasventils ist diese Gesamtfunktionalität schwer zu erreichen und mit Kosten verbunden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zusätzliche Sicherheitsfunktion für ein Gasventil bereitzustellen, indem gewährleistet wird, dass ein Luftstrom vorhanden ist. Folglich wird Gas nicht für die Brennkammer bereitgestellt, ohne dass auch ein Luftstrom vorhanden ist, wodurch potenziell gefährliche Situationen vermieden werden.
Es ist eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfin dung, durch Koordinieren der Vielzahl von Vorgängen eine integrierte Lösung und eine zusätzliche Funktionalität für das Gasventil bereitzustellen. Wie gut zu verstehen ist, kann ein Ventil gesteuert werden, um den Gas verbrennenden Abschnitt des Ofens selbst effizient zu betreiben. Jedoch können durch die Fähigkeit des Überwachens und Steuerns, nicht nur des Gasstroms, sondern auch des Luftstroms durch den Ofen eine Vielzahl von Betriebsbedingungen erreicht werden. Zum Beispiel können für jeden möglichen Zweck sehr spezifische Kraftstoff-Luft-Verhältnisse in der Brennkammer beibehalten werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner durch Fühlen und Anzeigen, dass der Verbrennungsweg blockiert oder auf irgendeine Art und Weise eingeschränkt ist, ein zusätzliches Sicherheitsmerkmal bereit. Sollte zum Beispiel der Abgasweg auf irgendeine Art und Weise blockiert sein, würde das Ventil der vorliegenden Erfindung dies erkennen und sich abschalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Betrachten der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den Zeichnungen ersichtlich, in denen:
1 eine schematische Zeichnung einer Version der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Ausführungsform des Gasventils selbst darstellt;
3 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Betreiben der vorliegenden Erfindung darstellt; und
4 ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf 1 wird eine schematische Zeichnung des Ventils 10 mit Druckprüfung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie erwartet, ist das Ventil 10 mit Druckprüfung in der Nähe einer Brennkammer 12 angeordnet, die eine Abluftkammer 14 aufweist, die in Stromabwärtsrichtung von der Brennkammer 12 angeordnet ist. Mit dem Ventil 10 mit Druckprüfung steht ein Gaseinlass 16 und ein Gasauslass 18 in Verbindung. Innerhalb des Gehäuses 20 des Ventils 10 mit Druckprüfung ist eine Ventilanordnung 22 angeordnet, die eine typische Gasventilfunktion erfüllt, wie das Regulieren des Gasstroms und des angemessenen Ein- und Abschaltens desselben. Dies kann auch die Regulierung eines variablen Gasstrompegels umfassen, je nach der Angemessenheit für das jeweilige Heizsystem.
Das Ventil 10 mit Druckprüfung weist ferner eine Luftstromverbindung 24 auf, die daran befestigt ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist dies ein Drucksensoreinlass. Da der Luftstrom durch Messen des Drucks an verschiedenen Punkten bestimmt werden kann, wird ein Drucksensor geeignet verwendet, um Verbrennungsluftinformation für andere Bestandteile bereitzustellen. Alternativ kann ein Masseluftstromsensor oder ein Mikrobrücken-Luftstromsensor benutzt werden. Ein Verbrennungsluftsensor oder Umwandler 26 (eines der vorherigen Sensortypen), der innerhalb des Gehäuses 20 angeordnet ist, wirkt mit der Luftstromverbindung 24 zusammen. Eine Steuereinheit 30, die mit den Sensoren in betrieblicher Verbindung steht, Informationen empfängt und den Betrieb des Gasventils koordiniert, ist ebenfalls innerhalb des Gehäuses 20 angeordnet. Diese Steuereinheit kann typischerweise eine Mikrosteuereinheit oder ein Mikroprozessor irgendeiner Art sein. Um Energie bereitzustellen, wird eine Energieverbindung 32 für das Ventil 10 mit Druckprüfung bereitgestellt. Au ßerdem steht typischerweise ein Thermostat 34 mit dem Ventil in Verbindung und stellt Steuersignale dafür bereit. Wie gut bekannt ist, stellt der Thermostat im Allgemeinen ein Signal bereit, das Wärme anfordert und nachfolgend bewirkt, dass sich das Gasventil öffnet, wodurch geeignete Bedingungen zur Verbrennung innerhalb der Brennkammer geschaffen werden.
Mit Bezug auf 2 wird eine Querschnittsansicht des Ventils 10 mit Druckprüfung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie vorher erwähnt, ist das Ventil 10 primär aus einem einzigen Gehäuse 20 gebildet, das viele andere Teile aufnimmt. Das Gehäuse 20 weist einen Einlasskanal 42 und einen Auslasskanal 44 auf, die an gegenüberliegenden Seiten des Ventils angeordnet sind. Das Ventil 22, das den Einlasskanal 42 von dem Auslasskanal 44 trennt, ist hier wieder schematisch dargestellt.
Der Luftromsensoreinlass 46 ist ebenfalls in dem Gehäuse 20 angeordnet. Der Luftstromsensoreinlass 46 ist derart konfiguriert, dass er ein Luftstromsensorrohr 24 aufweist, das daran befestigt ist, und auch einen geeigneten Verbrennungsluftsensor aufnimmt. Wie vorher erwähnt, besteht ein Verfahren zum Fühlen eines Luftstroms einfach darin, dass ein Drucksensor bereitgestellt wird, der die Drücke an verschiedenen Punkten messen kann. Ausgehend von diesen Messungen können mehrere unterschiedliche Werte und Eigenschaften berechnet werden.
Obwohl nicht in 2 dargestellt, werden geeignete Verbindungskanäle innerhalb des Gehäuses 20 bereitgestellt, so dass elektrische Signale von dem Luftstromsensor an andere Vorrichtungen weitergegeben werden können.
Ebenfalls innerhalb des Gehäuses 20 befindet sich ein Steuereinheitsgehäuse 48, das die Steuereinheit und alle dafür notwendigen Verbindungen aufnimmt. Wie oben erwähnt, stellt die Steuereinheit 30 für die vorliegende Erfindung viele Steuer- und Betriebsfunktionen bereit. Folglich sind verschiedene Verbindungen notwendig, die Thermostatverbindungen, Energieverbindungen usw. umfassen. Ebenfalls innerhalb des Gehäuses 20 und in Verbindung mit dem Ventil 22 ist ein Ventilmechanismusgehäuse 52, das alle Steuerungen für das Ventil 22 aufnimmt und beibehält. Ein Verbindungskanal 54 wird bereitgestellt, um die Verbindung zwischen der Steuereinheit 30 und dem Ventil 22 zu ermöglichen.
Mit Bezug auf 3 wird ein Flussdiagramm dargestellt, dass die Steuermethodik des Ventils mit Druckprüfung veranschaulicht. Zusammenfassend ermöglicht das Ventil mit Druckprüfung, dass das Ventil vor dem Bereitstellen von Verbrennungskraftstoff bestimmen kann, ob geeignete Bedingungen innerhalb der Brennkammer vorhanden sind. In Situationen, in denen der Verbrennungsluftweg blockiert ist, wird auf diese Weise eine gefährliche Anhäufung von Gas innerhalb dieses Bereichs verhindert. Wie erwartet werden kann, gibt es typischerweise einen Aufbau und Systemkonfigurationsprozess, der jeglichem funktionellen Betrieb vorangehen muss. Dieser Aufbau und diese Initiierung umfassen typischerweise das Überprüfen des Vorhandenseins und des Betriebs aller Sensoren sowie das Überprüfen des Betriebsstatus des Ventils. Der Prozess kann von der Steuereinheit 30 verwendet werden.
Der Steuerprozess beginnt mit Schritt 300. Danach bestimmt das System in Schritt 302, ob der Thermostat Wärme angefordert hat. Wenn nicht, muss das Ventil nichts tun und einfach warten, bis eine geeignete Wärmeanforderung von dem Thermostat durchgeführt wird. Wenn die Wärmeanforderung gemacht wird, geht das System zu Schritt 304 weiter, in dem es bestimmt, ob ein Luftstrom durch die Brennkammer vorhanden ist. Wie oben beschrieben, umfasst ein Heizsystem typischerweise einen Induzierungsmechanismus, der Luft in die Brennkammer einzieht, die dann die geeigneten Bedingungen für die Verbrennung des Heizkraftstoffs bereitstellen kann. In den meisten Situationen ist dieser Heizkraftstoff Erdgas, jedoch können auch andere Kraftstoffe benutzt werden. Durch Messen des Luftstroms zu diesem Zeitpunkt kann das System dann bestimmen, dass die notwendige Verbrennungsluft bereitgestellt ist. Danach bestimmt das System in Schritt 306, ob sich der Luftstrom bei einem angemessenen Pegel befindet. Wie erwartet werden kann, muss der Luftstrom über einem minimalen Pegel liegen, um genug Luft zur Verbrennung bereitzustellen. Gleichwohl kann zu viel Luft durch die Brennkammer strömen, was ebenfalls Bedingungen schafft, die zur effektiven Verbrennung von Kraftstoff nicht förderlich sind. Wenn sich der Luftstrom nicht in diesem vorbestimmten Bereich befindet, geht das System zu Schritt 308 weiter, in dem ein Warnsignal erzeugt und das Heizsystem abgeschaltet wird. Am wichtigsten ist, dass für die Brennkammer an diesem Punkt kein Kraftstoff bereitgestellt wird. Dies wird durch einfaches Abschalten des Ventilabschnitts des Ventils mit Druckprüfung erreicht und dadurch, dass kein Kraftstoff von dem Einlasskanal 42 zu dem Auslasskanal 44 strömen kann.
Wenn sich alternativ der Druck innerhalb des vorbestimmten Bereichs befindet, geht das System weiter zu Schritt 310, in dem das Ventil gemäß vorbestimmter Kriterien betrieben wird. Diese Kriterien umfassen typischerweise das Antworten auf Signale, die von dem Thermostat bereitgestellt werden, und das geeignete Bereitstellen von Kraftstoff zu der Brennkammer für den Heizvorgang. Außerdem wird der Luftstrom während dieses Schritts kontinuierlich überwacht, um einen betriebsmäßigen Strom von Verbrennungsluft durch das System zu gewährleisten. Dies gewährleistet einen sicheren und genauen Betrieb des Heizsystems und verhindert die Erzeugung von gefährlichen Situationen. In Schritt 312 analysiert das System dieses Ablesen des Luftstroms oder Drucksignals und bestimmt, ob sich der Luftstrom innerhalb des erforderlichen Bereichs befindet. Wenn sich der Luftstrom innerhalb des erforderlichen Bereichs befindet, wird das System weiter betätigt. Dies ist in 3 als Endlosschleife von Schritt 312 zurück zu Schritt 316, 310 und 312 dargestellt. Wenn alternativ der Luftstrom außerhalb des gewünschten Bereichs fällt, wird das System erneut abgeschaltet und ein Warnsignal wird erzeugt. Dies ist in Schritt 314 dargestellt. Sobald Schritt 314 erreicht wird, wird von dem System keine weitere Handlung ausgeführt, bis ein gefährlicher Zustand auftritt. Typischerweise beinhaltet dies das Einschreiten des Anwenders, kann jedoch andere Softwaretestfunktionen umfassen, die von anderen Systemen ausgeführt werden könnten.
Bezüglich 4 wird eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, in der zusätzliche Merkmale hinzugefügt sind. Diese Merkmale werden durch die Aufnahme der Druckprüfeigenschaft ermöglicht, die vorher analysiert worden ist. Wie zu sehen ist, ist das in 4 dargestellte System dem in 1 sehr ähnlich, jedoch ist nun ein stufenlos einstellbares Gebläse 60 hinzugefügt worden. Außerdem wird eine Gebläseverbindung 62 bereitgestellt, welche die Steuereinheit 30 mit dem stufenlos einstellbaren Gebläse 60 verbindet. Eine weitere Änderung ist die Hinzufügung einer zweiten Luftstromverbindung 64 und eines zweiten Verbrennungsluftsensors 68. Bei der Installation wird die erste Luftstromverbindung 24 an einer Seite einer Öffnung 66 positioniert, während die zweite Luftstromverbindung 64 an einer zweiten Seite der Öffnung 66 positioniert wird. In diesem Fall sind die zwei Luftstromsensoren 26, 68 Drucksensoren. Durch Kenntnis des Drucks auf beiden Seiten dieser Öffnung wird die Menge des Luftstroms leicht berechnet. Sobald dieser Luftstrom bestimmt ist, werden viele Merkmale in dem System aktiviert. Wie vorher erwähnt, stellt die Steuereinheit 30 allumfassende Steuerungs- und Betriebsmerkmale für das Ventil 10 mit Druckprüfung bereit. Durch die Möglichkeit der Steuereinheit 30 zur Berechnung des tatsächlichen Luftstroms und durch die Verbindung eins Auslasses mit dem stufenlos einstellbaren Gebläse 60 kann eine sehr präzise Steuerung der Verbrennungsvorgänge erreicht werden. Das heißt, das stufenlos einstellbare Gebläse 60 kann derart gesteuert werden, dass sehr präzise Kraftstoff-Luft-Gemische erreicht werden. Der Prozess des Wählens eines bestimmten Entwurfs eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ist im Stand der Technik gut bekannt.
Wie man versteht, gibt es mehrere Modifikationen, die vorgenommen werden könnten und eine ähnliche Funktionalität bereitstellen würden. Zum Beispiel könnte ein Saugzugsystem benutzt werden, während 4 ein Druckbelüftungssystem darstellt. Ein Saugzugsystem kann durch einfaches Bewegen des stufenlos einstellbaren Gebläses 60 zu der Stromabwärtsseite der Brennkammer leicht erreicht werden. Wie mit Bezug auf das in 1 dargestellte System erläutert worden ist, könnte auch ein einziger Sensor benutzt werden, um den Luftstrom zu bestimmen.

Claims

Einstückiges Gasventil (10) mit Druckprüfung zur Benutzung in einem Heizsystem, wobei das Gasventil ein Gehäuse (20) umfasst, mit: einem Ventilsystem (22) zum Steuern des Gasstroms zwischen einem Ventileinlass und einem Ventilauslass; einem Gaseinlasskanal (16), der mit dem Ventileinlass in Verbindung steht; einem Gasauslasskanal (18), der mit dem Ventilauslass in Verbindung steht; einem Sensor zum Bestimmen des Vorhandenseins eines Verbrennungsluftstroms innerhalb einer Brennkammer (12), wobei der Sensor ein Druckumwandler (26) zum Fühlen des Drucks von Verbrennungsluft innerhalb der Brennkammer ist und einen Auslass zum Bereitstellen des Signals aufweist, das diesen Druck anzeigt; und einer Steuereinheit (30), die einen Einlass aufweist, der mit dem Sensor in Verbindung steht und einen Auslass aufweist, der mit dem Ventilsystem in Verbindung steht, so dass die Steuereinheit dazu fähig ist, das Ventilsystem einzustellen, um basierend auf dem Pegel des Luftstroms innerhalb der Brennkammer ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis kontinuierlich beizubehalten, wobei die Steuereinheit dem Ventil signalisiert, den Gasstrom anzuhalten, wenn der Luftstrom zur Beibehaltung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nicht ausreicht.
Ventil nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit ferner ein Eingangsendgerät zum Empfangen von Signalen von einem Thermostat (34) aufweist, wobei die Steuereinheit ferner in Antwort auf sowohl die Thermostatsignale als auch die Drucksignale Signale zum Steuern des Ventils in einer vorbestimmten Weise bereitstellt.
Ventil nach Anspruch 1, wobei der Umwandler ein Luftstromsensor zum Fühlen des Verbrennungsluftstroms bei einem Verbrennungslufteinlass ist.
Ventil nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit ferner das Ventil steuert, um variable Kraftstoffmengen für die Brennkammer bereitzustellen, die von der Menge des Luftstroms abhängen, der von dem Umwandler gefühlt wird.
Ventil nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit ferner einen Gebläseauslass zum Steuern des Betriebs eines verwandten, stufenlos einstellbaren Gebläses aufweist.
Ventil nach Anspruch 7, wobei die Luftmenge, die von dem stufenlos einstellbaren Gebläse bereitgestellt wird, proportional zu der Kraftstoffmenge ist, um ein vorbestimmtes Kraftstoff-Luft-Verhältnis zu erreichen.
Verfahren zum Steuern des Kraftstoffstroms in einer Brennkammer, um gefährliche Situationen zu vermeiden, in denen kein angemessener Verbrennungsluftstrom vorhanden ist, umfassend: Empfangen eines Signals von einem einstückigen Verbrennungsluftsensor, der die Menge der Verbrennungsluft anzeigt, die für die Brennkammer bereitgestellt wird; Bestimmen, ob der Luftstrom über einem vorbestimm ten Pegel liegt; und Steuern eines Ventils wie in Anspruch 1 definiert, um Kraftstoff für die Brennkammer bereitzustellen, wenn der Luftstrom über einem vorbestimmten Pegel liegt, und Steuern des Ventils, so dass kein Kraftstoff für die Brennkammer bereitgestellt wird, wenn der Luftstrom unter dem vorbestimmten Pegel liegt.