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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Zündschaltung
für Ölbrenner,
insbesondere eine Hochspannungs- und Hochfrequenzzündschaltung,
wobei die Schaltung einen Oszillator und einen um einen Kern gewickelten
Hochfrequenztransformator aufweist, und einen Transformator für eine solche
Schaltung.
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In
typischen Ölbrennern
zur Heizung von Einfamilienhäusern
wird elektrische Zündung
verwendet.
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In
solchen Brennern erzeugt ein Gebläse einen Luftstrom, in dem
durch eine Spritzdüse Öl gesprüht wird,
um im Luftstrom einen Ölnebel
zu bilden. Zur Zündung
des Öls
ist in der Nähe,
aber nicht zu nahe an, der Spritzdüse ein Zündfunkenspalt angeordnet. Typischerweise
ist der Funkenspalt im Verhältnis
zum Luftstrom stromabwärts
von Gebläse
und Spritzdüse
angeordnet. Der Abstand von der Spritzdüse zum Funkenspalt in Richtung
des Luftstroms ist jedoch ziemlich klein, z.B. ungefähr 1–2 mm. Die Spritzdüse und der
Funkenspalt sind üblicherweise
in der Richtung quer zum Luftstrom ein wenig versetzt, um zu verhindern,
dass Ölnebel
zu den Elekt roden des Funkenspalts gelangt. Andere Ausführungen sind
selbstverständlich
möglich.
Insbesondere kann der Funkenspalt stromaufwärts von der Spritzdüse angebracht
werden. Wichtig ist aber, dass der Funkenspalt hinlänglich weit
entfernt von den Spritzdüsen,
oder eher zum Ölnebel,
angeordnet ist, um die Bildung von Ruß auf den Elektroden durch
unverbranntes Öl
des Ölnebels
zu verhindern.
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Andererseits
muss der Funkenspalt nahe genug an der Spritzdüse angebracht sein, um dem
im Funkenspalt erzeugten Lichtbogen zu ermöglichen, tatsächlich zum Ölnebel zu
gelangen und diesen zu zünden.
Wenn der Lichtbogen zwischen den Elektroden des Funkenspalts gebildet
wird, wird er u.a. durch den Luftstrom deformiert, so dass er sich stromabwärts in den Ölnebel ausbreitet.
Dies kühlt
jedoch den Lichtbogen, und unter gewissen Umständen kann der Teil des Lichtbogens,
der sich in den Ölnebel
ausbreitet, lediglich imstande sein, den Ölnebel mit einer Verzögerung zu
zünden,
oder nicht imstande sein, den Ölnebel überhaupt
zu zünden.
In beiden Fällen
werden unverbrannte Ölprodukte
in die Umwelt ausgeblasen, dort eine Verschmutzung verursachend.
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Wie
schon angegeben, betrifft die vorliegende Erfindung insbesondere
eine Hochspannungs-Hochfrequenzzündung. 1 zeigt
eine bekannte elektronische Schaltung zur Erzeugung des Lichtbogens.
Die Schaltung umfasst einen Funkenspalt G verbunden mit der Sekundärseite eines Hochspannungs-Hochfrequenztransformators
T1. Der Hochfrequenztransformator T1 ist um eine Ferritstange gewi ckelt.
Ein Beispiel für
einen derartigen Hochfrequenz- und
Hochspannungstransformator gibt es in US-A-4683518. Die elektronische
Schaltung umfasst eine Oszillatorschaltung R1, R2, R3, R4, C3, C4,
C5, C6, DZ1, DZ2, TR1 und T1. Es sollte bemerkt werden, dass der
Transformator T1 mit der Basis des Transistors TR1 verbunden ist,
um die für den
Oszillator erforderliche Rückkopplung
bereitzustellen.
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Die
elektronische Schaltung umfasst außerdem eine Halbwellen-Gleichrichterschaltung
D1, C2 sowie einen Störunterdrückungsschaltung
L1, C1, R5, R6, deren Details nicht als relevant für die Erfindung
angesehen werden und im Detail nicht weiter beschrieben werden.
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Der
Oszillator ist mit halbwellengleichgerichtetem Strom vom Halbwellengleichrichter
versorgt und erzeugt somit die Hochfrequenzstöße für den Hochfrequenztransformator
T1.
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Obwohl
eine Stand-der-Technik-Zündeinheit mit
der obigen Schaltung über
eine Anzahl von Jahren gut gearbeitet hat, setzt die Größe der Komponenten
in der Schaltung Begrenzungen bei der Größe der Zündeinheit. Die Größe der Einheit
begrenzt außerdem
die Freiheit bei deren Anordnung. Sowohl die Größe der Einheit als auch die
Begrenzung bei deren Anordnung bedeuten Ansprüche in Bezug auf die Größe des Brenners,
was es schwierig macht, kompakte Brenner herzustellen.
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Ein
Beispiel eines Hochfrequenz-Hochspannungstransformators mit reduzierter
Größe gibt
es in US-A- 4358813.
Gemäß US-A-4358813
bildet der Kern, um den der Transformator gewickelt ist, einen geschlossenen
magnetischen Pfad.
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Eine
erste Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung eines kompakteren Ölbrenners.
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Eine
zweite Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung der Zündung in Ölbrennern.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben mit
einer elektronischen Zündschaltung
für Ölbrenner
wie im Eingangsabschnitt beschrieben gelöst, indem der Kern, um den
der Hochfrequenztransformator gewickelt ist, einen im Wesentlichen
geschlossenen magnetischen Pfad für den von den Wicklungen des
Transformators erzeugten magnetischen Fluss bildet, wenn Strom durch
die Wicklungen fließt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kern zwei Teile aufweist, zwischen
denen es einen Spalt gibt.
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Durch
die Anwendung eines Kerns, der einen im Wesentlichen geschlossenen
magnetischen Pfad für
den magnetischen Fluss bildet, wird eine wesentliche Reduzierung
der Größe des Transformators
erzielt, weil nicht nur der Kern selbst, sondern auch Wicklungen
in der Größe reduziert
werden können.
Außerdem
erlaubt das Haben eines Kerns, der zwei Teile aufweist, zwischen
denen ein Spalt bereitgestellt ist, eine einfache Montage des Transformators.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführung
umfasst der Kern zumindest einen im Wesentlichen E-förmigen Kern
und ein Joch.
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In
einer zweiten bevorzugten Ausführung umfasst
das Joch außerdem
einen zweiten im Wesentlichen E-förmigen Kern.
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In
einer dritten bevorzugten Ausführung
ist der Spalt zwischen dem mittleren Bein des E-förmigen Kerns
und dem Joch ausgebildet.
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Vorzugsweise
wiegt der Kern weniger als 14 g.
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Alle
oben erwähnten
Ausführungen
verbessern die Vorteile bei der Anwendung eines MOS-FET Transistors
in der Oszillatorschaltung.
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Somit
umfasst der Oszillator in einer weiteren bevorzugten Ausführung der
elektronischen Schaltung einen MOS-FET Transistor.
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Die
Anwendung eines MOS-FET ist vorteilhaft, da er verglichen mit herkömmlichen
bipolaren Transistoren leistungseffizienter ist und somit zum gesamten
Wirkungsgrad der elektronischen Schaltung beiträgt. Er lässt außerdem eine größere Ablenkung
des Lichtbogens zu.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Brenner bereit,
der die oben erwähnte
elektronische Schaltung aufweist.
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Nach
einem dritten Aspekt umfasst die Erfindung die Anwendung, in einer
elektronischen Zündschaltung
für Ölbrenner,
eines Hochspannungs-Hochfrequenztransformators mit einem Kern, der
einen im Wesentlichen geschlossenen magnetischen Pfad für den von
den Wicklungen des Transformators erzeugten magnetischen Fluss bildet, wenn
Strom durch die Wicklungen fließt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kern zwei Teile (1a, 1b)
aufweist, zwischen denen es einen Spalt (6) gibt.
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Nach
einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung einen Hochspannungs-Hochfrequenzzündtransformator
für Ölbrenner,
wobei der Transformator einen Kern aufweist, der einen im Wesentlichen
geschlossenen magnetischen Pfad für den von den Wicklungen des
Transformators erzeugten magnetischen Fluss bildet, wenn Strom durch
die Wicklungen fließt
dadurch gekennzeichnet, dass der Kern zwei Teile (1a, 1b)
aufweist, zwischen denen es einen Spalt (6) gibt.
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Die
vorliegende Erfindung wird jetzt anhand eines nicht beschränkenden
Beispiels und unter Hinweis auf die Zeichnungen näher beschrieben,
von denen:
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1 eine
graphische Darstellung einer elektronischen Zündschaltung für Ölbrenner
ist,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines im Wesentlichen geschlossenen Kerns
angewandt in einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung
zur Bildung eines im Wesentlichen geschlossenen Pfades für den durch
die Wicklungen des Transformators erzeugten magnetischen Flusses
ist,
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3 eine
schematische Zeichnung eines Zündfunkenspalts
eines Ölbrenners
ist, und
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4a–4c den
Zündlichtbogen
unter verschiedenen Versuchsbedingungen illustrieren.
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1 ist
eine graphische Darstellung einer elektronischen Zündschaltung
für Ölbrenner.
Ausgenommen den Hochspannungs-Hochfrequenztransformators T1, der
in der vorliegenden Erfindung durch einen Hochspannungs-Hochfrequenztransformator
T1' ersetzt ist,
entspricht diese Schaltung einer Schaltung nach dem Stand der Technik.
Der Klarheit halber, d.h. um zu vermeiden zwei im Wesentlichen identische
Figuren zu haben, wird auch in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung
auf 1 hingewiesen, nur mit Ersetzen von T1 durch T1'.
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Wie
schon erwähnt
umfasst die Schaltung einen Funkenspalt G verbunden mit der Sekundärseite eines
Hochspannungs-Hochfrequenztransformators T1'. Der Funkenspalt des Brenners ist entfernt
von der Zündeinheit
mit der elektronischen Schaltung angeordnet, die den Hochspannungs-Hochfrequenztransformator
T1' aufweist. Die
elektronische Schaltung umfasst eine Oszillatorschaltung R1, R2,
R3, R4, C3, C4, C5, C6, DZ1, DZ2, TR1 und T1'. Es sollte bemerkt werden, dass der
Transformator T1' mit
der Basis des Transistors TR1 verbunden ist, um die für den Oszillator
erforderliche Rückkopplung
bereitzustellen.
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Die
elektronische Schaltung umfasst außerdem eine Halbwellen-Gleichrichterschaltung
D1, C2 sowie eine Störunterdrückungsschaltung
L1, C1, R5, R6, deren Details nicht als relevant für die Erfindung angesehen
werden und deshalb nicht weiter beschrieben werden.
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Der
Transformator T1' wird
in 2 in perspektivischer Ansicht und als Teilschnitt
gezeigt. Der Transformator T1' hat
einen im Wesentlichen geschlossenen Kern 1 mit zwei Teilen 1a und 1b,
die in der bevorzugten Ausführung
identisch sind, beide im Wesentlichen E-förmig
und beide vorzugsweise aus einem Ferritmaterial. Die beiden Teile
werden in einer gegenüberliegenden
Spiegelbild-Konfiguration angeordnet. Der Klarheit halber wird untenstehend
nur eine der E-Formen beschrieben. Das mittlere Bein 2 des
E ist vorzugsweise zylindrisch, so dass es zu einer ebenfalls zylindrischen
Spule 3 passt, um die die Wicklungen 4a, 4b, 4c gewickelt
sind. Die beiden Außenbeine 5 des
E sind im Querschnitt im Wesentlichen rechtwinklig. Es wird aber
bevorzugt, dass die Innenseite gekrümmt ist, vgl. 2,
um zur Außenform
der Spule 3 zu passen. Offensichtlich kann auch die äußere Seite
gekrümmt
sein, so dass die Querschnitte Kreissegmente sind, die zur äußeren Form der
Spule 3 passen. Das mittlere Bein 2 ist ein wenig kürzer als
die beiden Außenbeine 5.
Wenn also die Außenbeine 5 der
beiden Teile 1a, 1b an einander anliegen, wird
ein Spalt 6 zwischen den mittleren Beinen 2 gebildet.
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Die
Verbindungen 7 zwischen den Außenbeinen 5 und dem
mittleren Bein 2 sind etwas verjüngt, um so einen trapezförmigen Querschnitt
zu präsentieren.
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Auf
der Spule 3 sind vier Wicklungen in entsprechenden Nuten
angeordnet. Dort sind zwei sekundäre Hochspannungswicklungen 4b und 4c,
jede verteilt zwischen mehrere Nuten, drei für jede einzelne Sekundärwicklung
in 2, um die Spannung zwischen benachbarten Drehungen
zu reduzieren. Die beiden Sekundärwicklungen
sind in Reihe geschaltet, um zwischen ihnen einen Neutralpunkt zu haben.
Im Brenner kann dieser Neutralpunkt unter Verwendung der Metallteile
des Brenners geerdet werden, wodurch Elektrokutiongefahren und das
Risiko von unerwünschten
Funken zu leitenden Teilen des Brenners reduziert werden. In der
Spule 3 gibt es eine weitere Nut, in der die primäre Niederspannungswicklung 4a angeordnet
ist. Zusammen mit der Primärwicklung 4a ist
die Schaltungswicklung 4d angeordnet (nicht gezeigt in 2),
die mit der Basis des Transistors TR1 verbunden ist.
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In
der bevorzugten Ausführung
ist der verwendete Kern ein Paar von ETD 45G 19 14 07 – 050 Kernteile,
geliefert von der Firma Iskra Feriti, Ljubljana, Slowenien. Die
Verwendung dieser beiden Kernteile gibt einen Spalt von etwa 1 mm.
Die Gesamtabmessungen für
jeden Kernteil sind etwa 19,6 mm × 7,4 mm, was dem Kern ein
Gesamtgewicht von etwa 13,4 g gibt, was eine wesentliche Reduzierung
gegenüber
dem bisher von der Anmelderin verwendeten Stangenkern ist, der etwa
16 g wiegt.
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Zusätzlich reduziert
die Verwendung dieses Kerns, der einen im Wesentlichen geschlossenen magnetischen
Pfad für
den von den Wicklungen des Transformators erzeugten magnetischen
Fluss bildet, wenn Strom durch die Wicklungen fließt, die
benötigte
Menge an Kupfer für
die Transformatorwicklungen um etwa 20 Prozent.
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In
Bezug auf die oben erwähnte,
bevorzugte Ausführung,
ist es angebracht zu erwähnen,
dass "im Wesentlichen
geschlossen" in
diesem Zusammenhang nicht als das Aufweisen einer ganz geschlossenen
magnetischen Schaltung zu verstehen ist. Solche ganz geschlossenen
magnetischen Kreisläufe bewirken
nicht die Vorteile der Erfindung, was aus der folgenden Beschreibung
von Versuchen hervorgehen wird.
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Außerdem ermöglicht die
Anwendung eines Kerns gemäß der vorliegenden
Erfindung, der einen im Wesentlichen geschlossenen magnetischen
Pfad für
den magnetischen Fluss bildet, die Anwendung eines MOS-FET Transistors
als Transistor TR1 im Oszillatorkreislauf. Der MOS-FET erzeugt schärfere Flanken
in den erzeugten Hochfrequenzoszillationen und verursacht auch eine
größere Ablenkung
des Lichtbogens, wie unten in Verbindung mit den 4a–4c erläutert wird.
Außerdem
ist die Anwendung eines MOS-FET Transistors energieeffizienter.
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Es
sollte auch erwähnt
werden, dass, obwohl in der bevorzugten Ausführung ein Paar von identischen
Kernteilen verwendet wird, auch andere Kernteilkonfigurationen angewandt
werden können.
D.h., die Konfiguration der beiden Teile des Kerns kann jede übliche sein,
z.B. solche wie C-I, C-C, E-I, E-C, E-E oder C-T.
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Versuche
haben gezeigt, dass der Spalt für das
Verhalten des Lichtbogens im Luftstrom wichtig ist.
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3 zeigt
einen Funkenspalt G mit zwei Elektroden 12, 13 und
zwei Klemmen 14 und 15 zum Anschluss an die Sekundärseite des
Zündtransformators
T1' über ein
Kabel (nicht gezeigt). Wenn am Funkenspalt Hochspannung angelegt
wird, wird ein Plasmalichtbogen zwischen den Elektroden 12, 13 ausgebildet.
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Zum
Teil auf Grund des Luftstromes, wie eingangs erwähnt, wird der Lichtbogen von
den Elektroden weggeblasen. Gleichzeitig kühlt der Luftstrom den Lichtbogen.
Es hat sich herausgestellt, dass, in einem gegebenen Luftstrom,
der Abstand, um den der Lichtbogen vom Funkenspalt weggeblasen wird, vom
Hochspannungs-Hochfrequenztransformator T1' in der elektronischen
Zündschaltung
abhängt.
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4a–4c zeigen
den Zündlichtbogen unter
Versuchsbedingungen, bei Versuchen ausgeführt mit verschiedenen in die
elektronische Schaltung von 1 eingesetzten
Hochspannungs-Hochfrequenztransformatoren. Die dunkleren Bereiche zeigen
die zentralen Kanäle
von heißem,
hochleuchtendem Plasma, das weißes
Licht ausstrahlt, wogegen die grauen Bereiche die äußere Wolke
von kälterem,
blau/weiß leuchtendem
Plasma zeigen. Die Skala wölbt
sich um 0–2
cm.
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4a zeigt
den Lichtbogen, der erzielt wird, wenn ein geschlossener Kern für den Hochspannungs-Hochfrequenztransformator
verwendet wird. 4b zeigt den Lichtbogen, der
mit dem Hochspannungs- und Hochfrequenztransformator nach dem Stand
der Technik erzielt wird. 4c zeigt
den Lichtbogen, der erzielt wird, wenn der Hochspannungs-Hochfrequenztransformator
der bevorzugten Ausführung
mit ETD 45G 19 14 07 – 050
Kernteilen und einem Spalt von 1 mm verwendet wird.
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Wie
gesehen werden kann, erstreckt sich die leuchtende Wolke von Plasma
etwa 13 mm von den Enden der Elektroden in 4b, wo
der Transformator T1 nach dem Stand der Technik in der Zündschaltung
verwendet wird. Wenn aber der Transformator nach der vorliegenden
Erfindung angewandt wird, wie gezeigt in 4c, erstreckt
sich die leuchtende Plasmawolke mehr als 15 mm von den Enden der Elektroden.
Wenn andererseits ein Transformator mit einem geschlossenen Kern
verwendet wird, wird der Lichtbogen nur wenig abgelenkt und die
leuchtende Wolke erstreckt sich nur um etwa 5 mm von den Elektroden.
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Nicht
nur bietet die vorliegende Erfindung also einen längeren Lichtbogen
aus blau/weißem Plasma,
der zwecks Zündung
tiefer in den Ölnebel
hineinreicht, sondern der weiß-heiße zentrale
Lichtbogenkanal reicht genau so weit bei Nutzen der vorliegenden
Erfindung wie das kältere
blau/weiße
Plasma bei Nutzen des Stands der Technik.
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Entsprechend
wird eine erheblich bessere Zündung
des Ölnebels
erreicht.