Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungs-Regelungsvorrichtung zum
Verhindern einer Flammen-Vibration, welche in einem Brenner auftritt, z.B. bei
einem Gasbrenner-Warmwasser-Versorgungssystem.
Beschreibung des Standes der Technik
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Bisher sind Gasbrenner-Warmwassersysteme bekannt, welche von einem an einem
Ende eines Kanals vorgesehenen Motorlüfter zugeführte Verbrennungsluft und Gas
(Stadtgas, Propangas) vermischt und sie verbrennt, um warmes Wasser durch
einen z.B. neben dem Brenner angebrachten Wärmetauscher zu erhalten.
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Es ist allgemein bekannt, daß die sogenannte Flammen-Vibration, was eine
Expansion und Kontraktion der Flamme des Brenners bezeichnet, in einem Warmwasser-
Versorgungssystem auftritt, welches in einem Kanal strömende Verbrennungsluft
lokal erwärmt. Wenn eine Flammenvibration auftritt, werden unkomfortable
Geräusche erzeugt. Situationsabhängig kann ein Brenner oder ein Wärmetauscher
beschädigt werden. Ein Verfahren zum Verhindern der Flammenvibration ist
verfügbar, welches durch Erfassen der Vibration eines Feuerstroms der zwischen der
Oberfläche eines Brenners und einem Wärmetauscher fließt, bestimmt, ob
Flammenvibration auftritt oder nicht, und den Zustand der Verbrennung abhängig von
der Vibration des Feuerstroms regelt.
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Obwohl jedoch eine konventionelle Verbrennungs-Regelungsvorrichtungen in der
Lage ist, eine Flammenvibration ausreichend zu erfassen, wenn die
Flammenvibration klein ist, wird der Feuerstrom gestört, wenn die Flammenvibration zunimmt.
Daher weist diese konventionelle Verbrennungs-Regelungsvorrichtung ein Problem
auf, daß sie eine Flammenvibration nicht exakt erfassen kann. Wenn eine starke
Flammenvibration erzeugt wird, so daß ein Geräusch entsteht, unmittelbar
nachdem eine kleine Flammenvibration für eine kurze Zeit weiterbesteht, ist es
unmöglich, die Frequenz der Flammenvibration basierend auf dem Feuerstrom zu
erfassen. Somit ist die konventionelle Verbrennungs-Regelungsvorrichtung nicht in
der Lage, die Verbrennung abhängig von der Amplitude der Flammenvibration zu
regeln und daher ist es nicht möglich, die Flammenvibration zu verhindern.
Zusammenfassung der Erfindung
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Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erwähnten
Probleme zu lösen und eine Verbrennungs-Regelungsvorrichtung anzugeben,
welche in der Lage ist, eine Flammenvibration durch Regeln des
Verbrennungszustands abhängig von der Amplitude der Flammenvibration wirksam zu
verhindern.
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Die Verbrennnungs-Regelungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist mit einer
Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Menge des Flusses der Verbrennungsluft,
welche durch einen Kanal fließt, ausgestattet, wobei die Erfassungseinrichtung
nahe dem Knoten der Druckverteilung innerhalb des Kanals angebracht ist, und ist
weiterhin mit einer Regelungseinrichtung zum Bestimmen der Amplitude der
Flammenvibration gemäß der Änderung der durchfließenden Luft, Regeln der Menge der
fließenden Luft, wenn die Flammenvibration klein ist und Regeln der Menge des
durchfließenden Brennstoffes ebenso wie der Menge der durchfließenden Luft,
wenn die Flammenvibration zunimmt, versehen.
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Da die nahe dem Knoten der Druckverteilung in dem Kanal der Verbrennungs-
Regelungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung angebrachte
Erfassungseinrichtung die Menge des Verbrennungsluftstromes erfaßt, ist die
Verbrennungs-Regelungsvorrichtung in der Lage, die Menge des Luftstroms stabil zu erfassen und
weiterhin auch kleine Änderungen der Strömungsmenge zu erfassen, um eine sehr
genaue Erfassung der Änderung der Menge der strömenden Luft zu verwirklichen.
Weiterhin bestimmt die Regelungseinrichtung die Amplitude der Flammenvibration
gemäß den Änderungen des Luftstroms, regelt die Menge der Verbrennungsluft,
wenn die Flammenvibration klein ist, und regelt weiterhin die Menge des fließenden
Brennstoffes, wenn die Flammenvibration zunimmt, um die Flammenvibration
wirksam zu verhindern.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 ist eine teilweise geschnittene Ansicht der Anordnung einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Figur 2 ist eine Vorderansicht eines in der Ausführungsform in Figur 1
angewendeten Durchflußmessers.
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Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Durchflußsensors in dem in
Figur 2 gezeigten Durchflußmesser.
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Figur 4(a) ist eine teilweise geschnittene Ansicht eines
Warmwasser-Versorgungssystems zum Erläutern der Montagepositionen eines
Gasbrenners und eines Strömungssensors.
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Figur 4(b) ist eine Kennlinienansicht zum Zeigen der Druckverteilung der
Verbrennungsluft in einem Kanal.
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Figur 4(c) ist eine Kennlinienansicht zum Zeigen der Strömungsgeschwin
digkeitsverteilung der Verbrennungsluft in dem Kanal.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der Zeichnungen
beschrieben. Figur 1 ist eine teilweise geschnittene Ansicht zum Darstellen der
Anordnung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Figur 1
bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Kanal mit einem Motorlüfter 2, welcher an einem Ende
des Kanals 1 vorgesehen ist. Der Motorlüfter 2 umfaßt einen Lüfter, welcher sich
mit einer vorbestimmten Rotationsgeschwindigkeit dreht. Außenluft wird von dem
Lüfter angesaugt und in den Kanal 1 eingespeist. Der Luftauslaß des Motorlüfters
2 ist mit einer Drosselklappe 3 zum Einstellen der Menge der Verbrennungsluft
versehen, die in den Kanal 2 strömt. Die Drosselklappe 3 wird durch eine
Ansteuerungseinheit 4 um eine Welle 5 gedreht. Der Grad der Öffnung der
Drosselklappe 3 ist so eingestellt, daß das Luft-Brennstoff-Verhältnis (Luft:Brennstoff)
eines Gasbrenners etwa 1,2 beträgt. Der Grund, warum das Luft-Brennstoff-
Verhältnis auf 1,2 festgelegt ist, ist, daß die Verbrennung bei diesem Verhältnis am
besten ist.
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Ein Gasbrenner 6 ist strömungsabwärts des Kanals 1 vorgesehen. Der Gasbrenner
6 wird mit einer vorbestimmten Gasmenge (Stadtgas, Propangas) von außerhalb
des Kanals versorgt. Wenn Propangas als Brenngas verwendet wird, wird das Gas
aus einer Gasflasche 7 abgegeben. Ein Wärmetauscher 8 ist unterhalb des
Gasbrenners 6 vorgesehen. Der Wärmetauscher 8 umfaßt Kühlschlangen aus Kupfer
und diese verbindende Röhren. Das an einem Ende der Kühlschlange zugeführte
Wasser durchläuft die Kühlschlange und wird dann an dem anderen Ende
entnommen. Das andere Ende des Kanals 1 entläßt das den Kanal 1 durchströmende
Verbrennungsgas als eine Abgasöffnung.
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Z.B. ist ein Strömungssensor 9a in der Mitte des Motorlüfters 2 angebracht und ein
Strömungssensor 9b ist dem Gasbrenner 6 benachbart oberhalb des Gasbrenners
6 angebracht. Die Strömungssensoren 9a, 9b erfassen die Menge der durch den
Kanal 1 strömenden Verbrennungsluft und liefern ein Strömungssignal FS
entsprechend der Menge der durchströmenden Luft an eine Regelungsschaltung 10.
Als Strömungssensoren 9a, 9b werden z.B. Thermo-Strömungssensoren
verwendet. Es wird jedoch nur ein Strömungssensor 9 dargestellt, um das Verständnis der
folgenden Beschreibung zu fördern.
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Figur 2 ist eine Vorderansicht, welche die Anordnung des
Thermo-Strömungssensors zeigt. Der Thermo-Strömungssensor umfaßt zwei Zylinder 21, 22, die
parallel zueinander angebracht sind, so daß sie senkrecht zu der Richtung des
Luftstroms durch den Kanal 1 verlaufen, ein Abschnitt von welchem die Enden der
Zylinder nach außerhalb des Kanals 1 vorstehen, ist mit einem Durchgangsloch 25
des Sensorkörpers 24 verbunden und ein Strömungssensorteil 28 ist innerhalb des
Durchgangslochs 25 vorgesehen.
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Figur 3 zeigt den Aufbau des Strömungssensorteils 28. Figur 3 ist eine
perspektivische Ansicht, welche den Strömungssensorteil 28 des Thermo-Strömungssensors
zeigt. Wie in Figur 3 gezeigt, weist der Strömungssensorteil 28 eine Membrane 32
mit weniger als 20pm Dicke auf einem Halbleiter-Baustein 31 auf, welcher 1,7 mm
im Quadrat mißt, und weiterhin einen Mikro-Strömungssensor, der auf der
Membrane plaziert ist, wobei der Mikro-Strömungssensor ein exothermes
Widerstandsmuster und ein wärmeempfindliches Widerstandsmuster aufweist.
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Wenn ein vorbestimmter Strombetrag an den Mikro-Strömungssensor abgegeben
wird, wird das exotherme Widerstandsmuster exothermisch. Der Widerstand des
wärmeempfindlichen Widerstandsmusters wird auf einen bestimmten, konstanten
Wert eingestellt. Durch den Kanal 1 strömende Verbrennungsluft tritt durch ein
Loch 21a in einen Zylinder 21 ein, durchläuft die Röhre 26, das Durchgangsloch 25
und die Röhre 27 und tritt schließlich durch ein Loch 22a des anderen Zylinders 22
aus. In dieser Zeit ändert sich die Wärme auf dem Halbleiterbaustein abhängig von
der Menge der über den Mikro-Strömungssensor strömenden Luft. Daher ändert
sich der Widerstand des wärmeempfindlichen Musters. Die Änderung des
Widerstandes wird von der Regelungsschaltung 10 erfaßt. Da der vorstehend erwähnte
Strömungssensorteil 28 mit einer sehr kleinen Struktur aufgebaut ist, weist der
Strömungssensor eine sehr hohe Empfindlichkeit und einen vorzüglichen
Ansprechbereich (einige Meter/Sekunde) auf, so daß er stets in der Lage ist, die
Strömungsmenge
genau zu messen. Es ist zulässig, die inneren Oberflächen der Zylinder 21,
22 des Mikro-Strömungssensors mit kleinsten Unebenheiten zu versehen, um in der
Verbrennungsluft enthaltenen Staub zu sammeln. Oder es ist zulässig, die inneren
Oberflächen der Zylinder 21, 22 des Mikro-Strömungssensors mit einer Falle zu
versehen, einer mit einem klebenden oder porösen Wirkstoff überzogenen
Trennplatte oder einer Staubfängerplatte.
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Die Regelungsschaltung 10 mißt die Änderung des Widerstands des
wärmeempfindlichen Widerstandsmusters. Die Änderung des Widerstands des
wärmeempfindlichen Widerstandsmusters entspricht der Änderung der Strömungsmenge der
Verbrennungsluft. Somit wird die Änderung der Strömungsmenge der
Verbrennungsluft gemessen. Wenn die Änderung der Strömungsmenge der
Verbrennungsluft einen bestimmten, konstanten Wert (Schwellwert) überschreitet, bestimmt die
Regelungsschaltung 10, daß die Flammenvibration auftritt und überträgt
Regelungssignale S1, S2. Das Regelungssignal S1 wird an die Ansteuerungseinheit 4
abgegeben und das Regelungssignal S2 wird an ein Gasströmungs-Einstellventil 11
abgeben. Die Ansteuerungseinheit 4 steuert die Drosselklappe 3 entsprechend dem
Regelungssignal S1 und stellt den Grad der Öffnung ein, um die Strömungsmenge
der Verbrennungsluft, welche durch den Kanal 1 strömt, zu regeln. Es ist ebenfalls
zulässig, die Strömungsmenge der durch den Kanal 1 strömenden Verbrennungsluft
durch Ändern der Rotationsgeschwindigkeit des Motorlüfters 2 zu regeln.
Andererseits regelt das Einstellventil 11 die Strömungsmenge des dem Gasbrenner 6
zugeführten Gases entsprechend dem Regelungsignal S2.
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Als nächstes werden die Montagepositionen des Gasbrenners 6 und der
Strömungssensoren 9a, 9b anhand der Figuren 4(a), 4(b), 4(c) beschrieben. Die Figuren
4(a), 4(b), 4(c) sind Figuren zum Erläutern des Verfahrens zum Bestimmen der
Montagepositionen des Gasbrenners und des Strömungssensors. Figur 4(a) ist eine
teilweise geschnittene Ansicht des gleichen Warmwasser-Versorgungssystems,
wie in Figur 1 gezeigt. Figur 4(b) ist ein Kennliniendiagramm zum Darstellen der
Druckverteilung der Verbrennungsluft in dem Kanal und Figur 4(c) ist ein
Kennliniendiagramm zum Zeigen der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung der
Verbrennungsluft in dem Kanal. Diese Kennlinien werden durch mehrere
Drucksensoren 41, 42, 43 (drei Drucksensoren sind in der vorliegenden Ausführungsform
dargestellt) erfaßt, welche strömungsaufwärts des Gasbrenners in dem Kanal 1
vorgesehen sind. Die Druckverteilung der Verbrennungsluft ist in der
Sinus-Wellenform dargestellt, wie in Figur 4 (b) gezeigt. Andererseits ist die
Strömungsgeschwindigkeitsverteilung in einer Kosinus-Wellenform mit etwa 90ºC Versatz
gegenüber der Druckverteilung dargestellt.
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Die Strömungssensoren 9a, 9b sind erfindungsgemäß in der Nähe einer Position
angebracht, in welcher die Amplitude des Drucks minimiert oder die Amplitude der
Strömungsgeschwindigkeit maximiert ist. Da die Änderung des Drucks an dieser
Position gering ist, ist es möglich, die Menge des Luftstromes stabil zu erfassen
und weiterhin ist es möglich, eine kleine Änderung des Luftstromes zu erfassen.
Wenn die Flammenvibration maximal ist, ist es weiterhin möglich, eine hohe
Erfassungsgenauigkeit zu verwirklichen. Ob eine Flammenvibration auftritt oder nicht,
wird durch die Änderung des durch die Strömungssensoren 9a, 9b erfassten
Luftstromes bestimmt, d.h. eine Ablenkung der Druckamplitude oder der Amplitude
der Strömungsgeschwindigkeit.
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Als nächstes wird die Wirkungsweise der vorstehend erwähnten Ausführungsform
beschrieben.Wenn das Warmwasser-Versorgungssystem betrieben wird, wird eine
weitgehend konstante Menge Verbrennungsluft, die von dem Motorlüfter 2
zugeführt wird, mit der vorbestimmten Gasmenge vermischt und diese Mischung wird
von dem Gasbrenner 6 verbrannt. In dem Wärmetauscher 8 wird dort eintretendes
Wasser durch die Flamme des Gasbrenners 6 erwärmt, so daß es warmes Wasser
wird, und wird entnommen. Wenn keine Flammenvibration auftritt, ergeben sich
kleine Änderungen in der Menge der Strömung der Verbrennungsluft, welche durch
die Strömungssensoren 9a, 9b erfaßt wird. Somit bleibt die Drosselklappe 3 oder
das Einstellventil 11, wie es ist.
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Wenn andererseits eine Flammenvibration während der Verbrennung auftritt, wird
eine Änderung der Strömung der Verbrennungsluft infolge der Flammenvibration
durch die Strömungssensoren 9a, 9b erfaßt. Wenn die Änderung der Strömung
gering ist oder wenn die Flammenvibration gering ist, steuert die
Regelungsschaltung lodie Ansteuerungseinheit 4durch das Regelungssignal S1 abhängig von der
Änderung der Strömung an, um den Grad der Öffnung der Drosselklappe 3 oder die
Rotationsgeschwindigkeit des Lüfters einzustellen. Als Ergebnis wird das Luft-
Brennstoff-Verhältnis des Gasbrenners 6 verändert, so daß sich die
Verbrennungsbedingung ändert, um dadurch die Flammenvibration zu unterdrücken. Wenn die
Flammenvibration zunimmt, um Geräusche zu erzeugen, nimmt die Änderung der
durch die Strömungssensoren 9a, 9b erfassten Strömungsmenge zu. In diesem
Fall, nämlich, wenn die Flammenvibration zunimmt, gibt die Regelungsschaltung 1
das Regelungssignal S2 entsprechend der Änderung des Strömungsbetrages
ebenso wie das Regelungssignal 51 aus. Entsprechend dem Regelungssignal S2
wird das Einstellventil 11 so angesteuert, daß es die Menge des Gasstromes
einstellt. Als Ergebnis wird die Menge des Gasstromes durch das Einstellventil
geregelt, ebenso wie der Grad der Öffnung der Drosseiklappe und die
Rotationsgeschwindigkeit des Lüfters. Dementsprechend wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis
des Gasbrenners 6 weiter verändert, so daß sich die Verbrennungsbedingung
ändert und dadurch weiterhin die Flammenvibration unterdrückt.
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Obwohl ein Gas verwendender Brenner (Stadtgas, Propangas) in der oben
erwähnten Ausführungsform beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf
diesen Fall beschränkt, sondern kann auf Brenner angewendet werden, welche
andere Brennstoffe wie Petroleum, Heizöl und ähnliches verwenden.
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Wie oben beschrieben, ist erfindungsgemäß eine
Verbrennungs-Regelungsvorrichtung vorgesehen, mit einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen der
Strömungsmenge der Verbrennungsluft, die durch den Kanal strömt, wobei die
Erfassungseinrichtung in der Nähe des Knotens der Druckverteilung in dem Kanal vorgesehen
ist und die Amplitude der Flammenvibration entsprechend der Änderung der
Strömungsmenge bestimmt. Die Verbrennungs-Regelungsvorrichtung umfaßt eine
Regelungseinrichtung zum Regeln der Brennstoffmenge ebenso wie zum Regeln der
Strömungsmenge der Verbrennungsluft, wenn die Flammenvibration zunimmt.
Somit ist diese Verbrennungs-Regeiungsvorrichtung in der Lage, eine große
Flammenvibration ebenso wie eine kleine Flammenvibration zu erfassen und die
Verbrennungsbedingung abhängig von der Amplitude der Flammenvibration zu regeln.
Somit ist die Verbrennungs-Regelungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung in der
Lage, Flammenvibration sehr wirksam zu verhindern.