DE60129689T2

DE60129689T2 - Elektrothermische vorrichtung zur flammenzündung und -überwachung von gasbrennern

Info

Publication number: DE60129689T2
Application number: DE60129689T
Authority: DE
Inventors: Dario Felisari
Original assignee: Felisari Dario Verano Brianza
Current assignee: Felisari Dario Verano Brianza
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2021-06-09
Also published as: WO2001094846A2; EP1287291B1; HK1055620A1; DE60129689D1; IT1319453B1; RU2395038C2; WO2001094846A3; US20030136439A1; AU2001287998A1; RU2005138384A; ES2291348T3; EP1287291A2; ITMI20001286A1; PL359177A1; ITMI20001286A0; US7256344B2; ATE368828T1; RU2002133230A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrothermische Vorrichtung zur Zündung und Flammendetektion bzw. -Überwachung von Gasbrennern.
Insbesondere bezieht die vorliegende Erfindung sich auf eine elektrothermische Vorrichtung zur Zündung und kontinuierlichen Flammen-Überwachung oder -detektion in Brennern, die mit Erdgas (in der Hauptsache auf Methan basierend), Rohrnetzgas (mains gas), LPG und ähnlichen Gasen arbeiten.
Wie bekannt, geschieht die automatische Zündung von Gasbrennern mittels eines voltaischen Bogens zwischen einem elektrischen Leiterelement, das mit einem entsprechenden Strom versorgt wird, und dem Brenner selbst. In ähnlicher Weise erfolgt die Flammen-Überwachung bzw. -detektion in dem Fall, dass der Brenner zufällig ausgeht, mittels eines Thermoelements, das über ein Elektromagnet-Ventil die Gasströmung automatisch stoppt, wenn es sich aufgrund der Tatsache abkühlt, dass es nicht länger durch die Flamme erwärmt wird.
Bei herkömmlichen Gasbrennern, seien es Brenner für Gas-Kochgeräte, Wassererwärmungsvorrichtungen oder Boiler, werden deshalb die Funktionen der Zündung und Flammen-Überwachung durch zwei getrennte Einrichtungen gesteuert. Diese Tatsache selbst ist schon nachteilig, da die Steuerung von zwei Einrichtungen benötigt wird; außerdem ergeben sich die Nachteile, die mit der Lichtbogen-Zündung, wie beispielsweise elektromagnetische Emission (Funkenzündungssysteme sind Pulsstrahlungsquellen), und dem Risiko von elektrischen Schlägen im Falle des Kontaktes mit der Bedienungsperson verbunden sind.
FR-A- 2 224 751 beschreibt einen Sensor für eine thermoelektrische Sicherungseinrichtung mit einem Thermoelement mit innerem Leiter, einem rohrförmigen Rheophor, der mit dem Thermoelement an seiner Verlängerung verbunden ist, einem Kupferdraht, der sich axial in dem Rheophor erstreckt und so geschaltet ist, dass die Verlängerung des inneren Leiters des Thermoelements gebildet wird, und einen Stecker, der außerhalb von und koaxial mit wenigstens einem Teil des Rheophors befestigt ist, um das Thermoelement mit einem Tragbalken oder eine Klemme zu verbinden.
DE-A 39 27 413 offenbart ein Zündungselement mit einem elektrisch beheizten Glühelement mit zwei zugeordneten Zuführleitungen, wobei das Glühelement einen Graphitblock oder einen Metall- oder Metalloxidfilm aufweist, der auf einen Träger aufgebracht ist; ein Thermoelement ist in einer der Zuführleitungen für das Glühelement eingeführt.
US-A 3 0707 645 beschreibt eine Thermoelement-Vorrichtung zur Erzeugung von thermoelektrischer Leistung bzw. Energie mit einer Beschichtung aus einem katalytischen Material auf seiner heißen Verbindung, wobei das katalytische Material in der Lage ist, eine exotherme Reaktion der Brennstoffreaktanten zu fördern, die damit in Kontakt kommen; die Leitungen des Thermoelementes sind nicht-katalytisch in Bezug auf die Reaktion.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Zündung und Flammen-Überwachung bzw. -detektion für Gasbrenner zu schaffen, die nicht die oben beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Vorrichtungen aufweist.
Dieses Ziel ist durch den Anmelder erreicht worden, der eine einzige Vorrichtung für Gasbrenner erfunden hat, die beide Funktionen, nämlich die Zündung und die Flammendetektion, ausführen kann, wenn die Flamme zufällig bzw. versehentlich erlischt.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb eine elektrothermische Vorrichtung zur Zündung und Flammenüberwachung und -detektion in Gasbrennern gemäß dem Anspruch 1.
Die Metallelemente, die zur Herstellung der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung benutzt werden, bestehen allgemein aus Fäden bzw. Filamenten mit kreisförmigem Querschnitt mit Durchmessern zwischen 0,1 und 0,8 mm. Als Alternative können Metallstreifen mit Dicken zwischen 0,1 und 0,8 mm und Breiten zwischen 2 und 0,5 mm eingesetzt werden. Diese Elemente werden auf Rheophoren gehalten, die ebenfalls aus Metall bestehen, nämlich aus rostfreiem Stahl oder Legierungen wie Messung und Bronze, die eine hohe Korrosionsfestigkeit haben.
Zur Herstellung dieser Vorrichtung kann jedes Metallpaar eingesetzt werden, das in der Lage ist, eine thermoelektrische Spannung und einen thermoelektrischen Strom zu erzeugen, beispielsweise Spannungen über 0,03 Volt oder Ströme über 3 mA, wenn nur der Verbindungspunkt in Kontakt mit der Gasflamme ist, oder Wärme durch den Joule-Effekt zu erzeugen. Beispiele von Paaren solcher Metalle sind: Platin, Platin-Rhodium, Chromel/Alumel.
Bevorzugt werden Paare von Metallen, bei denen wenigstens eins der Metalle katalytische Eigenschaften für die Oxidation des Gases hat, wie beispielsweise Platin, Palladium oder Nickel. Diese Paare von Metallen werden bevorzugt, da sie niedrigere Gaszündungs-Temperaturen und eine längere Lebensdauer der Werkstoffe oder eine Selbsterwärmung des Metalls mit der daraus folgenden Möglichkeit erlauben, den Durchmesser der Metallelemente zu verringern, da die Oxidation (Verbrennung) die Temperatur des Metalls erhöht, so dass rasch der gesamte Gasstrom gezündet werden kann, sobald die Oberflächenkatalyse-Temperatur überschritten wird.
Es können auch Metallpaare verwendet werden, die nur den Joule-Effekt erzeugen, bei denen wenigstens eines der Metalle mit einem Metall mit katalytischen Oberflächeneigenschaften für die Oxidation des Gases beschichtet ist.
Als Alternative hierzu kann die elektrothermische Vorrichtung für die Zündung und Flammen-Überwachungs bzw. -detektion in Gasbrennern aus einem Heizelement bestehen, in dem die Metallelemente durch ein keramisches oder Keramik/Metallelement in einer festen bzw. massiven oder hohlen Zylinderform ersetzt wird, das mit Metallpulver mit katalytischer Aktivität für die Oxidation des Gases aktiviert wird. Diese Lösung ermöglicht eine Miniaturisierung des Teils der vorliegenden Vorrichtung, der in Kontakt mit der Flamme (hot spot) ist.
Die elektrothermische Vorrichtung für die Zündung und Flammen-Überwachung bzw. -detektion in Gasbrennern nach der vorliegenden Erfindung wird im folgenden im Detail unter Bezugnahme auf die Figuren der beiliegenden Zeichnungen erläutert, die nicht beschränkende Beispiele von Ausführungsformen darstellen.
Wie sich aus 1 ergibt, weist die vorliegende Vorrichtung (1-1) zwei Rheophore 11 und 12 auf, die die beiden Metallelemente 13 und 13' halten, die an dem Punkt AB verbunden sind, der sich in Kontakt mit der Flamme F des Brenners befindet (nicht dargestellt). Die 1-2 und 1-3 stellen alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar, bei denen die drahtartigen Metallelemente 13 und 13' durch ein keramisches Element 4 oder ein Cermet-(Keramik-Metall) Element 15 ersetzt werden, und zwar entweder ein festes bzw. massives Element oder ein hohles Element.
2 zeigt weitere alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Gemäß 2-1 hat einer der Rheophoren 11 eine hohle, im Grunde zylindrische oder kegelstumpfförmig-zylindrische Form, währen der andere Rheophor 13 durch eine vertikale Stange dargestellt ist, die koxial mit dem ersten ist. Bei dieser Ausführungsform hat das Metallelement 13, das auf dem hohlen, zylinderförmigen Rheophor 13 gelagert ist, eine kuppelartige Struktur, die den Verbindungspunkt AB mit dem Metallelement 13' enthält, das auf dem koaxialen Rheophor 12 gehalten ist.
2-2 zeigt eine Ausführungsform, die einen ähnlichen Aufbau hat, jedoch mit einem Fenster F versehen ist; dabei bildet das Metallelement 13 eine heiße Verbindung mit dem aus Platin (oder einem ähnlichen Katalysator) hergestelltem Draht, der von der Flamme über das Fenster F erwärmt wird.
Eine Anwendung für die Funkenzündung in einem Gasbrenner und die kontinuierliche Überwachung und Detektion des Vorhandenseins der Flamme, die mit der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung arbeitet, kann mit einem Schaltkreis mit geringer Impedanz beschrieben werden, und zwar in der Größenordnung von 10 bis 1000 mΩ, oder mit einem Schaltkreis mit hoher Impedanz, in der Größenordnung von 0,1 bis 50 Ω.
Im Falle einer Schaltung mit niedriger Impedanz weist die Anwendung für die Funkenzündung und Überwachung der Flamme, die in 3 dargestellt ist, auf:

a. eine Zündungssteuereinheit 1;
b. einen Zeitgeber bzw. Timer 2;
c. einen zweistufigen Inverter 3, der mit dem Zeitgeber verbunden ist;
d. einen Transformator 4 und einen Komparator 5, die mit den Ausgängen des zweistufigen Inverters und jeweils mit der Zündungs- und Flammenüberwachungsvorrichtung 6 und einem Gasabsperrsystem 7 verbunden sind.

Wenn die Zündungssteuereinheit 1 aktiviert wird, aktiviert der Zeitgeber 2 den Inverter 3 bei dem höchsten Pegel, um die Spannung auf den Transformator 4 zu übertragen und die Zündungseinrichtung (Thermoelement) 6 zu zünden, die gleichzeitig in Kontakt mit dem Gas ist, das gezündet werden soll. Sobald die Aktivierungszeit bei der Zündung des Gases beendet wird, reduziert der Inverter den Leistungs- bzw. Energiepegel, der an den Transformator angelegt wird, indem er auf den Steuer- bzw. Kontrollwert umschaltet. In dieser Phase wird die Flamme gezündet und hält die Verbindung AB des Thermoelementes auf der erforderlichen Temperatur, indem ein thermoelektrischer Strom erzeugt wird. Nach der Erzeugung des thermoelektrischen Stroms wird die Impedanz des Thermoelementes abgelesen und mit einem gespeicherten Wert mittels des Komparators 5 verglichen. Wenn der gemessene Impedanzwert der gleiche oder größer als der im Speicher ist, so bedeutet dies, dass die Flamme gezündet wuirde. Wenn der gemessene Impedanzwert abfällt, so bedeutet dies, dass die Intensität des thermoelektrischen Stroms als Ergebnis einer Verringerung der Temperatur der Verbindungsstelle AB des Thermoelementes absinkt, weil die Flamme erloschen ist. Diese Messung aktiviert das Absperrsystem 7, das die Zuführung von Gas blockiert.
Im Falle eines Schaltkreises mit hoher Impedanz weist die Vorrichtung zur Funkenzündung und Feststellung der Flamme, die in 4 dargestellt ist, auf:

e. eine Zündungssteuerleinheit 1;
f. einen Zeitgeber bzw. Timer 2;
g. eine Schalteinheit, die mit der Zündungs- und Flammendektionsvorrichtung 6 verbunden ist; und
h. einen Komparator 5, der mit einem Gasabsperrsystem 7 verbunden ist.

Die Vorrichtung für die Funkenzündung und Flammenüberwachung arbeitet auf die gleiche Weise wie im vorherigen Fall mit der Ausnahme, dass statt der Einheit Inverter/Transformator eine Schalteinheit verwendet wird. Sobald die Aktivierungszeit verstrichen ist, stellt die Schalteinheit 8 die elektromotorische Kraft an den Enden des Thermoelementes 6 fest und vergleicht sie mit einem Bezugswert. Wenn die oben genannte elektromotorische Kraft unter dem Bezugswert liegt, aktiviert der Komparator das Gasabsperrsystem, das die Zuführung des Gases blockiert.
Die elektromagnetische Vorrichtung zur Zündung und Flammenüberwachung bzw. -detektion in Gasbrennern nach der vorliegenden Erfindung bietet die folgenden Vorteile:

– keine elektromagnetische Emission (Funkenzündungssysteme sind Pulsstrahlungsquellen);
– praktisch sofortige Flammendetektion (kurze Ansprechzeit vom Thermoelement);
– keine elektrischen Schläge im Falle des Kontaktes mit Bedienungsperson:
– keine Geräusche während der Zündung;
– sofortige Zündung (bei gegebener Energie, die für die Aktivierung zur Verfügung steht);
– Verwendung eines einzigen Elementes, das sowohl die Zündung als auch die Flammenüberwachung durchführen kann;
– Möglichkeit, den Hot Spot an einem Punkt der Vorrichtung zu erzeugen, der nicht in Kontakt mit der Bedienungsperson kommen kann;
– Zentrale Steuerung von mehreren Brennern durch Verbindung mit einer Steuereinheit, die auch die Absperrung der Gaszufuhr steuert; und
– Möglichkeit, zufällige Gaslecks permanent und an mehreren Brennern festzustellen.

Claims

Elektrothermische Vorrichtung für die Zündung und Flammendetektion in Gasbrennern mit einem Thermoelement, welches ein Paar verbundener Metall- oder Keramik- oder Keramik-Metall-Elemente (13, 13', 14, 15) beinhaltet, wobei jedes auf einem Rheophor (11, 12) gehalten wird, und wobei die Elemente zum Generieren thermoelektrischer Spannungen und Ströme imstande sind, wenn die Verbindung (AB) in eine Umgebung mit einer zu der von den Rheophoren (11, 12) unterschiedlichen Temperatur eingebracht wird, wobei das Thermoelement zur Zündung des Gasbrenners imstande ist, sobald die Rheophoren (11, 12) mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Elemente Metallelemente (13, 13') sind, die aus im Querschnitt kreisförmigen Drähten mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 0,8 mm bestehen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Elemente Metallelemente (13, 13') sind, die aus Metallstreifen mit Dicken zwischen 0,1 und 0,8 mm und Breiten zwischen 2 und 0,5 mm bestehen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallelemente (13, 13') auf Rheophoren (11, 12) gehalten werden, welche ebenfalls metallisch sind und aus rostfreiem Stahl oder korrosionsbeständigen Legierungen bestehen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Paar der Metallelemente (13, 13') Spannungen größer 3 mV oder Ströme größer 3 mA generiert, wenn sich nur der Verbindungspunkt (AB) in Kontakt mit der Gasflamme befindet.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Metalle des Paars der Metallelemente (13, 13') katalytische Oberflächeneigenschaften zur Oxidation des Gases aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, mit Metallpaaren, welche lediglich zum Generieren eines Joule-Effektes geeignet sind, wobei zumindest eines der Metalle mit einem Metall beschichtet ist, welches katalytische Oberflächeneigenschaften zur Oxidation des Gases aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elemente Keramik- oder Keramik-Metall-Elemente (14, 15) mit einer massiven oder hohlen zylindrischen Form sind und mit einem Metallpulver mit katalytischer Aktivität zur Oxidation des Gases vermischt oder ummantelt sind.
Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Einrichtung zur Funkenzündung in einem Gasbrenner und zur kontinuierlichen Detektion des Vorhandenseins der Flamme.
Einrichtung zur Funkenzündung in einem Gasbrenner und zur kontinuierlichen Detektion des Vorhandenseins der Flamme, wobei der Betrieb mit einem Niedrig-Impedanz-Kreis stattfindet, mit: a. einer Zündungssteuerungseinheit (1); b. einem Timer (2); c. einem mit dem Timer verbundenen zweistufigen Invertierer (3); d. einem Transformator (4) und einem Komparator (5), die mit den Ausgängen des zweistufigen Invertierers verbunden sind und jeweils mit der Zündungs- und Flammendetektionsvorrichtung (6) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 und mit einem Gas-Absperrsystem (7) verbunden sind.
Einrichtung zur Funkenzündung in einem Gasbrenner und zur kontinuierlichen Detektion des Vorhandenseins der Flamme, wobei der Betrieb mit einem Hochimpedanz-Kreis erfolgt, mit: e. einer Zündungssteuerungseinheit (1); f. einem Timer (2); g. einer mit der Zündungs- und Flammendetektionsvorrichtung (6) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 verbundenen Schalteinheit (8); und h. einem mit einem Gas-Absperrsystem (7) verbundenen Komparator (5).