-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ventileinheit zur Modulation
des Gasauslassdruckes gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs 1. Ein solches Ventil ist aus Dokument
EP-A-1 058 060 bekannt.
-
Technologischer Hintergrund
-
Ventileinheiten
dieser Art finden einen weitverbreiteten Einsatz bei der Steuerung
der Förderung
eines Heizgases zu einem Brenner oder einer ähnlichen Einrichtung, insbesondere,
jedoch nicht ausschließlich
bei Heizgeräten.
-
Wie
bekannt, wird bei diesen Geräten
der Auslassdruck (und folglich die Durchflussleistung) des Gases
durch Modulation zwischen einem Mindestdruck und einem Höchstdruck
in kontrollierter Art und Weise geregelt. Dies geschieht durch ein
Servoventil, das einer Modulationseinrichtung mit einer Membran
untergeordnet ist. Das Servoventil besitzt meistens ein Verschlusselement,
das sich von einer Membran öffnen
lässt,
die auf die Druckdifferenz reagiert, welche zwischen dem Druck in
dem Förderkanal
und einem Steuerdruck existiert. Dieser Steuerdruck wird durch die
Betätigung
eines Modulationsventils gesteuert.
-
Eine
Ventileinheit mit den oben genannten Merkmalen ist aus der europäischen Patentanmeldung
EP 1058060 bekannt. In dieser
Anmeldung wird der Stellantrieb des Modulationsventils durch ein
oszillierendes Steuersignal (beispielsweise ein elektrisches Spannungssignal)
mit einem voreingestellten "Arbeitszyklus" gesteuert, um demzufolge
ein oszillierendes Steuerdrucksignal zu erzeugen, dessen integrierter
Durchschnittswert von dem vorher festgelegten "Arbeitszyklus" abhängt.
Eine Einschränkung, der
man im Zusammenhang mit dem obigen Ventil begegnen könnte, liegt
in der Tatsache begründet, dass
der Steuerdruckwert, der auf die Modulation reagiert, durch einen
mittleren Druckwert repräsentiert wird,
der innerhalb eines bestimmten Zeitraumes erreicht wird, so dass
die Gasauslassdruck-Regelfunktion naturgemäß weniger genau ist.
-
Außerdem ist
die Steuerung des Modulationsventils recht komplex, da sie einen
Steuerschaltkreis erfordert, der angeordnet ist, um die Regelung des "Arbeitszyklus" während der
Ventilmodulation zu kontrollieren.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Die
Zielsetzung der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ventileinheit
bereitzustellen, die eine verbesserte und genauere Modulationssteuerung
des Gasauslassdrucks gewährleistet,
der durch ein Modulationsventil und einen entsprechenden Stellantrieb
für dessen
Betrieb mit vereinfachten Aufbau erreicht wird, aber gleichzeitig
derart, dass die Beschränkungen überwunden
werden, die unter Bezugnahme auf den erwähnten Stand der Technik diskutiert
worden sind.
-
Diese
Zielsetzung und weitere Zielsetzungen, die anhand der nachfolgenden
Beschreibung noch deutlicher werden, werden mit der Erfindung mittels
einer Ventileinheit erreicht, die gemäß den beigefügten Ansprüchen hergestellt
wird.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden,
detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsart
noch deutlicher, die mittels eines nicht einschränkend zu verstehenden Beispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben wird. Es zeigen:
-
1 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine Ventileinheit, die gemäß der Erfindung hergestellt
wird,
-
2 die
Ansicht einer Variante der Erfindung entsprechend 1,
-
3 ein
schematisches Blockdiagramm einer zweiten Variante der Ventileinheit
gemäß der Erfindung,
-
4 eine
Ansicht einer weiteren Variante der Erfindung entsprechend 3.
-
5 einen
Schnitt durch eine Einzelheit der Ventileinheit der vorhergehenden
Zeichnungen,
-
6 ein
Schaubild einer charakteristischen Druck-Spannungs-Kurve der Ventileinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel
von 3,
-
7 ein
Schaubild einer charakteristischen Druck-Spannungs-Kurve der Ventileinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel
von 4.
-
Bevorzugte Ausführungsart
der Erfindung
-
Unter
Bezugnahme zunächst
auf 1 wird eine Ventileinheit gemäß der vorliegenden Erfindung zur
Modulation des Auslassdrucks eines Heizgases zu einem nicht gezeigten
Brenner oder einer ähnlichen
Einrichtung allgemein mit 1 bezeichnet. Das Heizgas wird
in der Einheit 1 durch einen Hauptkanal 2 zwischen
einer Eintrittsöffnung 3 und
einer Austrittsöffnung 4 zugeführt.
-
Die
Ventileinheit 1 besitzt auch ein Servoventil 5,
das in dem Hauptkanal 2 montiert ist, sowie ein Verschlusselement 6,
das durch die elastische Kraft einer Feder 7a elastisch
federnd zum Verschließen auf
einen Ventilsitz 7 gedrückt
wird und sich durch eine Membran 8 öffnen lässt, die auf die Druckdifferenz
zwischen dem Druck Pu am Austritt 4 auf der einen Seite
und dem Druck Pt in einer Steuerkammer 9 auf der anderen
Seite reagiert. Der Steuerdruckwert Pt wird durch die Betätigung einer
Druckregeleinrichtung kontrolliert, die im allgemeinen mit 10 bezeichnet
und nachstehend im Detail beschrieben wird.
-
Die
Einheit 1 besitzt auch ein Sicherheitsventil 11,
das in dem Kanal 2 vor dem Druckregler 10 angeordnet
ist, und beispielsweise durch eine nicht gezeigte, elektromagnetische
Vorrichtung herkömmlicher
Struktur gesteuert wird, welche dafür sorgt, dass der Gasfluss
in dem Kanal 2 eingestellt wird, wenn die elektromagnetische
Vorrichtung, mit der das Sicherheitsventil gesteuert wird, nicht
mit Strom versorgt ist.
-
Die
Steuerkammer 9 besitzt über
einen Kanal 12 zur Gasanzapfung mit den gegenüberliegenden
Enden 12a, 12b eine Durchflussverbindung. Am Ende 12a öffnet sich
der Kanal 12 vor dem Servoventil 5 in den Hauptkanal 2.
-
Die
Steuerkammer 9 steht über
einen Übertragungskanal 13,
der im Bereich der Öffnung 4 eine Verengung 14 aufweist,
ebenfalls mit der Austrittsöffnung 4 des
Kanals 2 in Verbindung. Außerdem ist eine Förderdüse 14a an
dem Austritt 4 der Einheit hinter der Verengung 14 angeordnet.
-
Der
Regler 10 besitzt einen Ventilsitz 15, der in
dem Anzapfkanal 12, vorzugsweise in dem Bereich des Endes 12a,
gebildet wird, sowie ein entsprechendes Verschlusselement 16,
das derart bewegt wird, dass es den Sitz 15 durch einen
Stellantrieb schließt/öffnet, der
allgemein mit 17 bezeichnet wird. Bei dem Stellantrieb 17 handelt
es sich um einen piezoelektrischen Stellantrieb, beispielsweise
mit einer doppelten Metallplatte 18, die entlang einer
herausragenden Längsachse
zwischen den gegenüberliegenden
Enden 18a, 18b verläuft.
-
An
seinem Ende 18a ist der piezoelektrische Stellantrieb mit
dem Hauptteil des Verschlusselementes 16 verbunden und
besitzt an seinem gegenüberliegenden
Ende 18b ein Paar Klemmen 19 zur Stromversorgung
des Stellantriebes.
-
Unter
besonderer Bezugnahme auf 5 besitzt
das Verschlusselement 16 eine Stange 16a, die
an einem Ende einen Kopf 20 des Verschlusselementes mit
einer gebogenen Fläche
aufweist, vorzugsweise in Form einer kugelförmigen Kappe, die auf den Ventilsitz 15 wirkt.
Am gegenüberliegenden Ende
wirkt eine Feder 21 auf die Stange, so dass sich das Verschlusselement 16 im
Gegensatz zu dem Öffnungsvorgang
des piezoelektrischen Stellantriebes elastisch federnd zum Verschließen auf
den Ventilsitz 15 drückt.
-
Das
Ende 18a des Stellantriebes wirkt zwischen einem Paar gegenüberliegender
Stoßflächen 22a, 22b,
die durch eine Öffnung
in der Stange 16a gebildet werden. Der Abstand zwischen
den gegenüberliegenden
Stoßflächen wird
so gewählt,
dass das Ende 18a des Elements 18 einen Abstand
zu der Stoßfläche 22b besitzt,
wenn der piezoelektrische Stellantrieb nicht mit Strom versorgt
wird, so dass ein Sicherheitsverschluss des Ventilsitzes 15 unter
der elastischen Wirkung der Feder 21 allein in diesem Zustand
möglich
ist.
-
Das
Element 18 des piezoelektrischen Stellantriebes wird derart
ausgewählt,
dass die Verschiebung in dem Verschlusselement 16 gegenüber dem Ventilsitz 15 proportional
mit dem Steuersignal korreliert, das zu dem Stellantrieb gesendet
wird, beispielsweise ein elektrisches Spannungssignal. Aufgrund
der Korrelation zwischen dem Anheben des Verschlusselementes 16 und
dem Steuerdruck Pt, der in der Kammer 9 erzeugt wird, wird
für einen
voreingestellten Wert des obigen Steuersignals eindeutig ein entsprechender
Wert des Steuerdrucks Pt erzeugt, so dass der Auslassdruck Pu demzufolge
in einer korrelierten Art und Weise moduliert wird.
-
Das
Schaubild in 6 zeigt eine charakteristische
Kurve des Steuerdrucks Pt in Abhängigkeit von
der Netzspannung V des piezoelektrischen Stellantriebes für einen
vorher festgelegten Eingangsdruck Pi in dem Hauptkanal 2.
Es kann vorzugsweise eine fast lineare Regelungskurve Pt-V (und
folglich Pu-V) erreicht werden, bei der Druckmodulation für jeden
vorausgewählten
Wert des erforderlichen Auslassdruckes regelmäßig und präzise stattfindet.
-
2 zeigt
eine erste Variante der Erfindung, die allgemein mit 40 bezeichnet
wird, in der die Einzelheiten, die denen der vorherigen Ausführungsart ähnlich sind,
mit denselben Bezugsziffern bezeichnet werden. Diese Variante unterscheidet
sich von der Ventileinheit 1 hauptsächlich dadurch, dass ein Druckregler
für maximalen
Auslassdruck, der in 2 allgemein mit 41 bezeichnet
wird, hinter dem Servoventil 5 angeordnet ist. Der Regler 41 besitzt ein
Verschlusselement 42, das durch eine Membran 43 gesteuert
wird, und durch die elastische Kraft einer Feder 45 elastisch
federnd zum Verschließen
auf einen Ventilsitz 44 gedrückt wird. Die elastisch federnde
Kraft lässt
sich durch Anschrauben eines Federhalters 46 verstellen.
Der Ventilsitz 44 wird am Ende eines Kanals 47 gebildet,
der an seinem gegenüberliegenden
Ende mit dem Übertragungsventil 13 in
Verbindung steht. Der Ventilsitz ist hinter dem Verschlusselement 42 wiederum
mit einer Kammer 49 in Verbindung, welche durch einen Kanal 49a mit
dem Austrittskanal 4 verbunden ist. Der Kanal 49a öffnet sich
in den Austrittskanal 4 nach der Verengung 14. Außerdem lässt sich
das Verschlusselement 42 derart bedienen, dass der jeweilige
Sitz 44 durch die Membran 43 geöffnet wird,
welche einerseits auf den Druck Pu (der in der Kammer 49 wirkt)
und andererseits auf die elastische Kraft der Feder 45 reagiert, abzüglich eines
Bezugsdrucks Pref (der von der der Kammer 49 entfernten
Seite auf die Membran 43 wirkt), beispielsweise gleich
dem Atmosphärendruck.
-
Der
Bezugsdruck Pref kann beispielsweise so gewählt werden, dass er gleich
dem Druck ist, der hinter der Düse 14a vorhanden
ist. Bei der Annahme, dass der von der Feder 45 ausgeübte Druck
als das Verhältnis
zwischen der elastischen Kraft der Feder 45 (äquivalenter
Druck) und einem äquivalenten
Bereich der Membran 43 ausgedrückt werden kann, wenn der Auslassdruck
Pu den äquivalenten
Druckwert übersteigt,
bewegt sich das Verschlusselement 42 und öffnet den
Sitz 44, so dass sich der Querschnitt für den Gasdurchfluss erhöht und der
Höchstwert
des Auslassdrucks PU somit auf den äquivalenten Druckwert begrenzt
wird. Bei Werten des Drucks Pu unter dem äquivalenten Druckwert wird
der Auslassdruck durch die Regeleinrichtung 10, wie oben beschrieben,
bis zu dem höchsten
Druckwert moduliert, der erreicht werden kann, und durch Regelung der
Federkraft an dem Federhalter 46 eingestellt werden kann.
-
In
diesem Fall ist eine charakteristische Kurve der Art, wie sie in 7 gezeigt
ist, repräsentativ für das Verhalten
des Auslassdruckes in Abhängigkeit
von dem Spannungssteuersignal V, das an den piezoelektrischen Stellantrieb
geliefert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass der maximale Auslassdruck
auf den eingestellten Wert (Pmax) beschränkt ist, der mittels der maximalen
Stellschraube 46 von 2 verstellbar
ist. Auf diese Art und Weise lässt sich
eine präzise
Einstellung des maximalen Auslassdruckwertes erreichen.
-
3 zeigt
mittels eines Blockdiagrammes eine Variante der Erfindung, die allgemein
mit 50 bezeichnet ist, in der Einzelheiten ähnlich der
der früheren
Ausführungsart
mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind. Diese Variante unterscheidet
sich von der oben beschriebenen Ventileinheit 1 hauptsächlich dadurch,
dass in der Modulationssteuerung für den Auslassdruck ein Rückkopplungssystem
bereitgestellt wird.
-
Zu
diesem Zweck ist die Ventileinheit 50 mit einem Druckmelder
(oder Durchfluss-Melder) mit einem Sensor 51 versehen,
der in dem Kanal 2 hinter dem Servoventil 5 in
dem Bereich der Austrittsöffnung 4 angeordnet
ist. Die Einheit besitzt auch einen mit 52 bezeichneten
Rückkopplungskreis,
der so angeordnet ist, dass er als Eingabe ein Signal empfängt, das
mit dem von dem Sensor 51 festgestellten Druckwert korreliert.
Die Einheit besitzt auch Vergleichseinrichtungen 53 zum
Vergleich des gemessenen Wertes mit einem voreingestellten Wert
in Bezug auf einen vorher ausgewählten
Druck (oder eine Durchflussleistung), sowie Vorrichtungen 54 zur
Erzeugung eines Steuersignals in Abhängigkeit von der festgestellten
Differenz, das zu dem piezoelektrischen Stellantrieb gesendet wird,
um die Bewegung des Verschlusselementes 16 zu regeln, damit
der gewünschte
Auslassdruckwert Pu erreicht wird.
-
Es
wird darauf hingewiesen, dass bei dem Rückkopplungssystem der oben
genannten Variante der Wert Pu des Auslassdruckes, der erreicht
werden kann, im wesentlichen unabhängig ist von dem Druck Pi der
Gaszufuhr zu der Ventileinheit.
-
In
diesem Fall ist eine charakteristische Kurve der in 7 gezeigten
Art repräsentativ
für das Verhalten
des Druckes Pt in Abhängigkeit
von dem Steuersignal V, und zwar unabhängig von Fluktuationen oder
Schwankungen des Eingangsdruckes Pi.
-
4 zeigt
in einem Blockdiagramm eine weitere Variante der Erfindung, die
allgemein mit 60 bezeichnet ist, in der Einzelheiten, die
denen der vorherigen Ausführungsarten ähnlich sind,
mit denselben Bezugsziffern bezeichnet werden.
-
Die
Einheit 60 unterscheidet sich von der vorherigen Variante
dadurch, dass kein Rückkopplungssystem
geliefert wird, doch sie besitzt ein weiteres Ventil, das mit 61 bezeichnet
wird, zur Regulierung des maximalen Auslassdruckes. Das Ventil ist vor
dem Druckregler 10 angeordnet und auf herkömmliche
Art und Weise aufgebaut. Es besitzt beispielsweise einen Ventilsitz
und ein entsprechendes Verschlusselement, wobei eine Membran auf
dieses Verschlusselement wirkt, die einer verstellbaren, elastischen
Federkraft unterworfen ist. Durch die Verstellung der elastischen
Federkraft, beispielsweise mittels Anschrauben eines Federhalters,
kann ein maximaler Schwellenwert für den Auslassdruck Pu eingestellt
werden, der sich mit Hilfe der Modulation der Ventileinheit erreichen
lässt.
-
Eine
Regelungskurve, die für
die Einheit 60 repräsentativ
ist, kann beispielsweise so aussehen, wie in 7 gezeigt,
einschließlich
der Abschnitte, die in gestrichelter Linie dargestellt sind.
-
Mit
der Erfindung werden somit die Zielsetzungen erreicht, welche gegenüber den
bekannten Lösungen
die oben erwähnten
Vorteile aufweisen.
-
Der
Hauptvorteil liegt in der Tatsache, dass die Ventileinheit gemäß der Erfindung
eine verbesserte und genauere Modulationssteuerung des Gasauslassdruckes
gewährleistet,
die darüber
hinaus mit einer vereinfachten Struktur der Ventileinheit gegenüber bekannten
Lösungen
erreicht wird.