DE102007040698A1

DE102007040698A1 - Verfahren zur Steuerung eines Ventils für ein Fluidum und damit ausgestattetes Haushaltsgerät

Info

Publication number: DE102007040698A1
Application number: DE102007040698A
Authority: DE
Inventors: Valerio Cascio; Fortunato Nocera; Lorenzo Morbidelli
Original assignee: Indesit Co SpA
Current assignee: Whirlpool EMEA SpA
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2008-07-10
Also published as: GB2443046B; GB2443046A; ITTO20060628A1; GB0716871D0

Abstract

Verfahren zur Regelung eines Ventils (1) für ein Fluidum, insbesondere für Brenngas, das von einem elektrischen Signal (S) gesteuert wird, welches an seinem Steuereingang im Verhältnis zum Wert eines elektrischen Parameters (V) des elektrischen Signals (S), insbesondere Spannung oder Strom, abgegeben wird, wobei das Ventil (1) so ausgeführt ist, dass es, wenn dieser Parameter (V) Werte unterhalb einer unteren Schwelle (VP1) annimmt, ganz geschlossen/geöffnet ist und dass es, wenn dieser Parameter (V) Werte oberhalb einer oberen Schwelle (VP2) annimmt, ganz geöffnet/geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen einer gewünschten Öffnung des Ventils (1) zwischen der ganz geschlossenen und der ganz geöffneten Stellung eine Änderung des elektrischen Signals (S) vorgenommen wird, so dass dieser elektrische Parameter zumindest für einen kurzen Moment einen Wert annimmt, der ungefähr der unteren Schwelle (VP1) oder ungefähr der oberen Schwelle (VP2) entspricht.

Description

ZUSAMMENFASSUNG
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Ventils (1) für ein Fluidum, insbesondere für Brenngas, das von einem elektrischen Signal (S) gesteuert wird, welches an seinem Steuereingang im Verhältnis zum Wert eines elektrischen Parameters (V) dieses elektrischen Signals (S), insbesondere Spannung oder Strom, abgegeben wird; das Ventil (1) ist so ausgeführt, dass es, wenn dieser Parameter (V) Werte unterhalb einer unteren Schwelle (VP1) annimmt, ganz geschlossen/geöffnet ist und dass es, wenn dieser Parameter (V) Werte oberhalb einer oberen Schwelle (VP2) annimmt, ganz geöffnet/geschlossen ist; um eine gewünschte Öffnung des Ventils (1) zwischen der ganz geschlossenen und der ganz geöffneten Stellung einzustellen, wird eine Änderung dieses elektrischen Signals vorgenommen, so dass der elektrische Parameter (V), zumindest für einen kurzen Moment einen Wert annimmt, der ungefähr der unteren Schwelle (VP1) und/oder ungefähr der oberen Schwelle (VP2) entspricht.
BESCHREIBUNG
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Ventils für ein Fluidum, insbesondere Brenngas, und ein damit ausgestattetes Haushaltsgerät.
Haushaltskochgeräte für gasförmige Brennstoffe, insbesondere Gaskochfelder, mit automatischen Ventilen sind auf dem Markt überhaupt nicht verbreitet, obwohl diese Art von Haushaltsgeräten gemäß den Normen zulässig ist.
In solchen Haushaltsgeräten erfolgt die Regelung des Gases für einen Brenner mit einem automatischen Ventil, d. h. einem Ventil, dessen Verschlusselement nicht direkt und manuell vom Benutzer betätigt wird, sondern mit einem Stellglied, das typischerweise mit elektrischen Signalen gesteuert wird; wenn der Benutzer einen Drehknopf oder einen Schieber und Tasten eines Bedienfelds des Kochfelds betätigt, stellt er die gewünschte Flammenhöhe ein (die als Richtwert mit der von diesem Brenner abgegebenen Wärme, mit der Öffnung des Ventils und mit dem Gasdurchfluss durch das Ventil verknüpft ist); das Bedienfeld ist an ein elektronisches System zur Steuerung des Kochfelds angeschlossen, das geeignete elektrische Signale an das Ventil sendet und dieses so regelt (d. h. öffnet), dass am Brenner die vom Benutzer eingestellte Flammenhöhe erhalten wird.
Natürlich ist es wichtig, dass die Flammenhöhe für eine bestimmte Einstellung des Benutzers jedes Mal im Wesentlichen gleich ist. Dem Antragsteller ist bewusst geworden, dass bei vielen Typen von automatischen Ventilen, insbesondere bei piezoelektrischen Ventilen, auch wenn die gleichen Steuerungssignale geliefert werden, nicht die gleiche Öffnung des Ventils erhalten wird. Das wichtigste Phänomen, das bei piezoelektrischen Ventilen zu diesem Nachteil beiträgt, ist, dass das Stellglied, das piezoelektrische Element, sowohl bei der Bewegung in die eine Richtung als auch bei der Bewegung in die Gegenrichtung eine Bewegungshysterese aufweist.
Zur Lösung dieses Nachteils sind Regelungsverfahren bekannt, die eine Rückkopplungsinformation über den Öffnungszustand des Ventils verwenden, auf deren Grundlage das Steuerungssystem das Steuersignal ändert, um die vom Benutzer eingestellte Flammenhöhe zu erhalten. Diese Regelungsverfahren weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie entsprechende Komponenten erfordern, die zu einer höheren Komplexität des Systems und zu Mehrkosten führen, die bei Haushaltsgeräten, d. h. bei Konsumgütern, nur schwer vertretbar sind.
Allgemeine Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zur Regelung eines Ventils für ein Fluidum, insbesondere für Brenngas, bereitzustellen, das präzise arbeitet, ohne als Rückkopplungsinformation den Öffnungszustand des Ventils oder das Ausmaß des Gasdurchflusses durch das Ventil zu verwenden.
Eine erste besondere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu finden, das sowohl im Allgemeinen als auch im Besonderen bei einem Haushaltskochgerät für gasförmige Brennstoffe einfach auszuführen ist.
Eine zweite besondere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein zuverlässiges Verfahren zu finden.
Eine dritte besondere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu finden, das keine wesentlichen Änderungen am Aufbau der Ventile erfordert. Diese und andere Aufgaben werden mit dem Verfahren mit den Merkmalen, die in den beigefügten Ansprüchen dargelegt werden, die fester Bestandteil dieser Beschreibung sind, erfüllt.
Die Grundidee dieser Erfindung ist es, das Ventil bei jedem Regelungsvorgang „einzustellen" oder "zurückzusetzen".
Im Besonderen werden zum Ventil bei jeder Regelung zunächst elektrische Signale übermittelt, die es im Wesentlichen in eine vorgegebene Öffnungs- oder Schließstellung bringen, und dann elektrische Signale, die es in die gewünschte Öffnungsstellung bringen. Auf diese Weise ist die erhaltene Öffnungsstellung nahezu identisch mit der gewünschten Öffnungsstellung.
Als besonders effizient hat sich diese Idee bei Ventilen herausgestellt, bei denen das piezoelektrische Stellglied eine Bewegungshysterese aufweist, vor allem bei piezoelektrischen Ventilen, die für den Einsatz in Haushaltskochgeräten für gasförmige Brennstoffe besonders geeignet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft diese Erfindung eben ein solches Haushaltskochgerät für gasförmige Brennstoffe.
Diese Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung verdeutlicht, die gemeinsam mit den anliegenden Figuren zu betrachten ist. Es zeigen:
1 eine sehr schematische Ansicht eines piezoelektrischen automatischen Ventils in der geschlossenen Stellung (1A) und in der geöffneten Stellung (1B),
2 Kennlinien des Ventils der 1,
3 eine sehr schematische Ansicht eines ähnlichen Ventils wie in 1, bei dem jedoch eine Lehre gemäß dem Verfahren dieser Erfindung angewandt wurde, und
4 Kennlinien des Ventils aus 3 in dem gleichen Maßstab wie in 2. Sowohl die Beschreibung als auch die Figuren sind als rein beispielhaft und somit nicht abschließend zu verstehen.
Da die Ventile aus 1 und 3 sehr ähnlich sind, werden im Folgenden für gleiche Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet. In 1 und 3 wird das Ventil als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet.
Mit 2 wird ein piezoelektrisches Element bezeichnet, das als Stellglied eines Einstellorgans 3 des Ventils 1 dient; 31 ist das Verschlusselement des Ventils 1, das Teil des Einstellorgans 3 ist; 32 ist ein Schaft des Einstellorgans, der Teil des Einstellorgans 3 des Ventils 1 ist.
Das Verschlusselement 31 und der Schaft 32 sind starr miteinander verbunden und bilden das Einstellorgan 3, das vom Stellglied 2 betätigt wird.
Das Stellglied 2 empfängt über zwei elektrische Leiter ein elektrisches Signal S; das Stellglied 2 ist so ausgeführt, dass es sich beim Anliegen einer elektrischen Gleichspannung als Signal S nach unten neigt (man beachte den Unterschied zwischen 1A und 1B), und das Einstellorgan 3 bewegt sich entsprechend nach unten; je größer die Amplitude des Spannungssignals S, desto größer ist die Neigung des Stellglieds 2; das Stellglied 2 weist eine hohe Bewegungshysterese auf. Die Ventile aus 1 und 3 umfassen einen Hohlkörper 6, der mit einem Gaseinlasskanal 7 und einem Gasauslasskanal 8 ausgestattet ist. Der Raum des Körpers 6 wird durch eine starre Trennwand 4 in einen oberen Raum 61 oder Auslassraum und in einen unteren Raum 62 oder Einlassraum geteilt; der Einlasskanal 7 endet in dem Körper 6, insbesondere in dem Einlassraum 62, und der Kanal 8 beginnt in dem Körper 6, insbesondere in dem Auslassraum 61. Die Trennwand 4 weist eine Öffnung 40 (eine aufgeweitete Bohrung) für den Durchtritt des Gases vom Raum 62 in den Raum 61 auf.
Das Verschlusselement 31, das beispielsweise konisch geformt ist, ist in der Lage, die Öffnung 40 der Trennwand 4 zu schließen, indem es perfekt an dieser anliegt, so dass eine dichte Verbindung entsteht.
Der Körper 6 des Ventils der 1 weist in seinem oberen Teil ein Loch auf, welches das Gleiten des Schafts 32 in seinem Innern ermöglicht, aber keine wesentlichen Austritte von Gas aus dem Raum 61.
1A entspricht der Situation, in der das Signal S den Spannungswert Null hat (oder einen Wert unterhalb der Mindestbemessungsspannung); in dieser Situation ist das Ventil "ganz geschlossen", da das Verschlusselement 31 die Öffnung 40 verschließt; hierbei handelt es sich um die Ruhestellung des Ventils.
1B entspricht der Situation, in der das Signal S den maximalen Bemessungsspannungswert hat; in dieser Situation wird das Ventil als "ganz geöffnet" betrachtet, da das Verschlusselement 31 in Bezug auf die Öffnung 40 sehr weit unten steht und somit nahezu kein Hindernis für das Strömen des Gases vom Raum 62 in den Raum 61 bildet.
Darüber hinaus kann ein elastisches Element 5, insbesondere eine Feder, vorgesehen werden, um das Zurückkehren des Ventils 1 in seine Ruhestellung zu erreichen oder zu erleichtern; in den Beispielen der 1 und 3 wird die Abwärtsbewegung des Einstellorgans 3 mit Hilfe des Stellglieds 2 und die Aufwärtsbewegung des Einstellorgans 3 mit Hilfe des elastischen Elements 5 erreicht. Dieses elastische Element kann eine gewisse Trägheit bei der Bewegung aufweisen, die mit zunehmender Alterung ausgeprägter sein kann; im weiteren Verlauf dieser Beschreibung bleibt dieses Phänomen unberücksichtigt.
Die Funktionsweise des Ventils 1 aus 1 wird unter Bezugnahme auf die beispielhaften Kurven von 2 verdeutlicht; in diesen Kurven entspricht die Abszisse der Spannung V des Signals S, die am Element 2 anliegt, und die Ordinate dem Gasdurchfluss F durch das Ventil 1, der, wenn auch nicht linear, an den Öffnungsgrad des Ventils 1 gekoppelt ist.
Jeder Punkt der Kurve zwischen dem Ursprung der Achsen und dem Punkt P1 entspricht der Bedingung von 1A, d. h. dem "ganz geschlossenen" Ventil 1; denn solange die Spannung des Signals S nicht groß genug ist, um die Federkraft der Feder 5 zu überwinden, liegt das Verschlusselement 31 fest an der Öffnung 40 an. Der Spannungswert, der dem Punkt P1 entspricht, beträgt ungefähr 50 Volt.
Der Punkt P2 entspricht der Bedingung von 1B, d. h. dem "ganz geöffneten" Ventil 1. Der Spannungswert, der dem Punkt P2 entspricht, beträgt ungefähr 250 Volt.
Wenn man annimmt, dass an das Element 2 ein Signal S angelegt wird, dessen Spannungswert von Null ausgehend allmählich steigt, dann ist die untere Kennlinie von 2 zu betrachten. Wie bereits erwähnt, kann sich das Verschlusselement 31 bis zu ungefähr 50 Volt aufgrund der Feder 5 nicht bewegen; zwischen ungefähr 50 Volt und ungefähr 100 Volt ist die Abwärtsbewegung des Verschlusselements 31 aufgrund der Hysterese des Elements 2 sehr klein (fast gleich Null); an diesem Punkt beginnt sich das Verschlusselement 31 nach unten zu bewegen; zwischen ungefähr 100 Volt und ungefähr 150 Volt ist das Verhältnis zwischen Spannung und Durchfluss überlinear; zwischen ungefähr 150 Volt und ungefähr 200 Volt ist das Verhältnis zwischen Spannung und Durchfluss im Wesentlichen linear; zwischen ungefähr 200 Volt und ungefähr 250 Volt ist das Verhältnis zwischen Spannung und Durchfluss unterlinear; bei mehr als ungefähr 250 Volt ist bei einem Anstieg der Spannung keine merkliche Steigerung des Durchflusses mehr feststellbar.
Am Punkt P2 angelangt, wird nun an das Element 2 ein Signal S angelegt, dessen Spannungswert allmählich bis auf Null abnimmt; zu betrachten ist die obere Kennlinie von 2. Für die ersten ungefähr 50 Volt Abnahme (d. h. bis zu ungefähr 200 Volt) ist die Aufwärtsbewegung des Verschlusselements 31 aufgrund der Hysterese des Elements 2 sehr klein (fast gleich Null); an diesem Punkt beginnt sich das Verschlusselement 31 nach oben zu bewegen; es liegen nacheinander erst ein überlinearer Abwärtsabschnitt, dann ein im Wesentlichen linearer Abwärtsabschnitt und anschließend ein unterlinearer Abwärtsabschnitt vor, der mit Punkt P1 bei ungefähr 50 Volt endet, an dem das Ventil 1 ganz geschlossen ist; wie bereits gesagt, bleibt das Ventil 1 bei geringeren Spannungswerten geschlossen; es ist darauf hinzuweisen, dass bei dieser zweiten Kennlinie der lineare Abschnitt zwischen ungefähr 100 Volt (Punkt B) und ungefähr 150 Volt (Punkt A) liegt.
Nehmen wir nun an, dass sich das Ventil 1 in einem Zustand befindet, der Punkt C entspricht, und dass das Signal S somit einen Spannungswert von 125 Volt hat; wenn die Spannung des Signals S auf 100 Volt verringert wird, nimmt das Ventil den Punkt B entsprechenden Zustand ein und durchläuft den Abschnitt der zweiten Kennlinie zwischen C und B; wenn die Spannung auf 150 Volt erhöht wird, durchlauft das Ventil nicht den Abschnitt der zweiten Kennlinie zwischen C und A, sondern einen Abschnitt einer dritten Kennlinie, die zwischen der ersten und der zweiten liegt (siehe 2).
Diese dritte Kennlinie endet in jedem Fall immer im Punkt P2. Diese Beobachtung gilt für alle Kennlinien, die das Ventil 1 nach Erhöhungen der Spannung V des Signals S durchläuft. Analog dazu enden alle Kennlinien, die das Ventil 1 nach einer Verringerung der Spannung V des Signals S durchläuft, im Punkt P1. Und genau aus diesem Grund ist das Verfahren dieser Erfindung auch im Fall von Hysterese wirksam. Das erfindungsgemäße Verfahren dient somit zur Regelung eines Ventils für ein Fluidum, insbesondere für Brenngas, das von einem elektrischen Signal gesteuert wird, welches an seinem Steuereingang im Verhältnis zum Wert eines elektrischen Parameters des elektrischen Signals, insbesondere Spannung oder Strom, abgegeben wird; das Ventil ist so ausgeführt, dass es, wenn dieser Parameter Werte unterhalb einer unteren Schwelle (beispielsweise VP1 in 2) annimmt, ganz geschlossen oder geöffnet ist und dass es, wenn dieser Parameter Werte oberhalb einer oberen Schwelle (beispielsweise VP2 in 2) annimmt, ganz geöffnet oder geschlossen ist (d. h. sich in dem entgegengesetzten Zustand zum vorangehenden Fall befindet).
Im Allgemeinen wird gemäß dem Verfahren dieser Erfindung zum Einstellen einer gewünschten Öffnung des Ventils zwischen der ganz geschlossenen und der ganz geöffneten Stellung eine Änderung des elektrischen Steuersignals vorgenommen, so dass der elektrische Parameter zumindest für einen kurzen Moment einen Wert annimmt, der ungefähr der unteren Schwelle (VP1 in 2) oder ungefähr der oberen Schwelle (VP2 in 2) entspricht.
Einfacher und in Bezug auf das Beispiel in 2 ausgedrückt, muss das Ventil in jeder beliebigen Öffnungsstellung (ob ganz geschlossen, ganz geöffnet oder teilweise geöffnet), um es in eine andere Öffnungsstellung zu bringen, gemäß der Erfindung zunächst in eine Stellung gebracht werden, die im Wesentlichen (nicht unbedingt genau) dem Punkt P1 oder P2 entspricht.
Auf diese Weise erhält man ausreichend präzise Informationen über die Kennlinie, die das Ventil nach diesem Vorgang des "Zurücksetzens" oder "Einstellens" beim Ändern des elektrischen Steuerungsparameters befolgt, d. h. im Beispiel von 2 beim Ändern der Steuerspannung V.
Einfacher und in Bezug auf das Beispiel in 2 ausgedrückt, verfolgt das Ventil im Wesentlichen die obere Kennlinie, wenn der Punkt P2 verwendet wird, und im Wesentlichen die untere Kennlinie, wenn der Punkt P1 verwendet wird.
Wenn das Ventil beispielsweise geöffnet ist, so dass es einen Gasfluss durchströmen lässt, der dem Punkt C entspricht, und das Ventil weiter geöffnet werden soll, so dass es ein Gasfluss durchströmen lässt, der dem Punkt A entspricht, wird an das Ventil eine Steuerspannung abgegeben, die zunächst bei ungefähr VP2 liegt (eventuell unter Überschreitung dieses Werts von 250 Volt), so dass es zwangsläufig in die dem Punkt P2 entsprechende Stellung gebracht wird, und anschließend auf ungefähr 150 Volt, da sicher ist, dass das Ventil die obere Kennlinie der Figur verfolgt und da somit sicher ist, dass das Ventil in die Punkt A entsprechende Stellung versetzt wird; dies bedeutet, dass das Ventil, um es ein wenig weiter zu öffnen, für einen kurzen Zeitraum ganz geöffnet wird.
Wenn das Ventil dagegen beispielsweise geöffnet ist, so dass es einen Gasfluss durchströmen lässt, der dem Punkt C entspricht, und das Ventil weniger stark geöffnet sein soll, so dass es einen Gasfluss durchströmen lässt, der dem Punkt C entspricht, sieht das oben dargelegte Verfahren in jedem Fall vor, dass das Ventil zunächst in die Punkt P2 entsprechende Stellung und dann in die Punkt C entsprechende Stellung gebracht wird. Um die Regelungszeiten zu verkürzen, ist es auch in diesem Fall möglich, direkt von Punkt C zu Punkt B überzugehen. Natürlich sind die obigen Betrachtungen bezüglich der Kennlinien, Zustände und Zustandsänderungen des Ventils, insbesondere seines Stellglieds, nicht im streng mathematischen Sinne zu verstehen, sondern innerhalb der Grenzen der technischen Implementierungen dieser physikalischen Prinzipien.
Anhand der bisherigen Ausführungen wird deutlich, dass das oben allgemein dargelegte Verfahren nicht bei jeder beliebigen Regelung des Ventils angewandt werden kann, sondern nur bei Regelungen, die ein Verlassen der vorgegebenen Kennlinien beinhalten würden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert es somit, eine oder zwei Kennlinien des Ventils zu identifizieren und die Regelung des Ventils vorzunehmen, indem immer nur diese eine Kennlinie oder diese beiden Kennlinien verwendet werden; natürlich gilt dies innerhalb sinnvoller technologischer Grenzen.
Die vom Antragsteller durchgeführten Studien und Experimente haben ergeben, dass es vorzuziehen ist, dass den Nullwerten des elektrischen Parameters des Steuersignals (insbesondere Steuerspannung oder -strom gleich Null) die ganz geschlossene Stellung des Ventils entspricht (wie im Beispiel von 2); in diesem Fall bleibt das Ventil nämlich bei einem Ausfall der Stromversorgung geschlossen, so dass Gasaustritte auf einfache Weise verhindert werden.
Zum Zweck der Regelung können nur die untere Schwelle (VP1 in 2) oder nur die obere Schwelle (VP2 in 2) oder beide Schwellen (VP1 und VP2) verwendet werden.
Der Einsatz beider Schwellen (VP1 und VP2) kann an unterschiedliche Regelungsstrategien gekoppelt sein. Eine erste Strategie kann vorsehen, dass nur eine der beiden Schwellen verwendet wird, d. h. die nächstgelegene; eine andere Strategie kann vorsehen, dass das Steuersignal bei jeder Regelung zunächst auf die untere Schwelle verringert und dann auf die obere Schwelle erhöht wird; eine dritte Strategie kann vorstehen, dass das Steuersignal bei jeder Regelung zunächst auf die obere Schwelle erhöht und dann auf die unter Schwelle verringert wird; schließlich gibt es Strategien, bei denen das Steuersignal zumindest für einen kurzen Moment zyklisch mehr als ein Mal einen Wert annimmt, der der oberen Schwelle (VP2) und/oder der unteren Schwelle (VP1) entspricht.
Im Hinblick auf den Einsatz der unteren Schwelle (VP1) für die Regelung ist anzumerken, dass diese der im Wesentlichen geschlossenen Stellung des Ventils entspricht, die einem Gasdurchfluss von Null entspricht. In diesem Fall kann, um zu vermeiden, dass die Flamme erlischt und neu gezündet werden muss (was für den Benutzer inakzeptabel wäre), eine sehr kleine Regelungszeit verwendet werden und/oder kann die Gasansammlung in den Leitungen hinter dem Ventil und in den Kammern des Brenners ausgenutzt werden.
Im Hinblick auf den Einsatz der oberen Schwelle (VP2) für die Regelung ist anzumerken, dass diese der ganz geöffneten Stellung des Ventils entspricht, die dem maximalen Gasdurchfluss entspricht. In diesem Fall kann, um zu vermeiden, dass es in der Regelungsphase zu Stichflammen des Brenners kommt (was für den Benutzer inakzeptabel wäre), eine sehr kleine Regelungszeit verwendet werden.
Die Schwellenwerte könnten zwar zu Regelungszwecken überschritten werden (beispielsweise Spannungswerte über VP2 und/oder Spannungswerte unter VP1), doch dies würde zu einer Erhöhung der Regelungszeit und eventuell auch zu einer stärkeren Beanspruchung des Stellglieds führen, insbesondere des piezoelektrischen Elements; daher ist es vorzuziehen, sich ungefähr auf den Schwellenwert (etwas mehr oder etwas weniger) zu beschränken.
Wie gesagt, beinhalt die Regelung des Ventils eine Änderung seines Steuersignals (und entsprechend des Gasdurchflusses und der Flammenhöhe), die auch bei geringen Regelungsdifferenzen groß ist; die Zeitdauer dieser Änderung sollte daher geringer als eine vorgegebene Zeit sein, insbesondere ungefähr 50 ms und vorzugsweise ungefähr 10 ms, so dass der Benutzer davon nichts oder fast nichts merkt.
Die Änderung entspricht einem Endwert des Parameters des Steuersignals des Ventils, der auf der Grundlage von mindestens einer Kennlinie des Ventils bestimmt wird; vorzugsweise wird die Änderung auf der Grundlage von nur einer oder nur zwei zuvor bestimmten Kennlinien des Ventils ausgeführt; unter Bezugnahme auf 2 wären diese beiden Kennlinien die obere Kurve und die untere Kurve. Wenn zwei Kennlinien verwendet werden, werden auch zwei Schwellenwerte verwendet (VP1 und VP2).
Das oben dargelegte Verfahren wurde entwickelt und eignet sich besonders für ein Ventil, das ein bewegliches Verschlusselement umfasst, welches direkt oder indirekt mit Hilfe eines elektrisch gesteuerten piezoelektrischen Stellglieds bewegt wird. Es ist weiterhin geeignet und besonders vorteilhaft, wenn es bei einem Ventil angewandt wird, bei dem das Verschlusselement direkt oder indirekt mit Hilfe eines Elements bewegt wird, das eine Bewegungshysterese aufweist, beispielsweise mit Hilfe des oben erwähnten piezoelektrischen Elements. Das Ventil aus 3 unterscheidet sich von dem Ventil aus 1 im Wesentlichen dadurch, dass die obere Wand des Körpers 6 nicht starr ist; diese Wand besteht aus einer Membran 9, beispielsweise einer kreisförmigen oder quadratischen Membran aus elastischem Material. Diese Membran 9 ist im Besonderen so ausgebildet, dass sich ihre Oberfläche vergrößert; in der Abbildung sind in der Tat die Wölbungen um den Schaft 32 zu erkennen.
Die Membran 9 ist im Wesentlichen sowohl an den Wänden des Körpers 6 als auch am Schaft 32 hermetisch dicht befestigt; aufgrund ihrer Elastizität ermöglicht sie es dem Schaft 32 und somit dem Einstellorgan 3 des Ventils 1, sich insbesondere vertikal zu bewegen und erlaubt es dem eventuell in der Kammer 61 vorhandenen Gas nicht, auszutreten, außer durch den Kanal 8.
Um die Wirkung der Membran 9 zu verstehen, muss das Ventil 1 in 3 während seines Betriebs betrachtet werden.
Wenn das Ventil 1 geschlossen ist, entspricht der Druck in der Kammer 61 dem Druck hinter der Kanal 8 (im Grunde hinter dem nicht dargestellten Brenner), d. h. dem atmosphärischen Druck; derselbe Druck herrscht auch außerhalb des Körpers 6; unter dieser Bedingung ist die Kraft, die vom Druck auf die Außenseite und Innenseite der Membran ausgeübt wird, gleich und die Membran überträgt keine Kraft auf den Schaft 31 und somit auf das gesamte Organ 3. Wenn sich das Ventil zu öffnen beginnt, d. h. wenn sich das Organ 3 abwärts zu bewegen beginnt, steigt der Druck in der Kammer 61 ein wenig, und auf die Membran 9 wirkt somit eine geringe Kraft nach oben, die direkt proportional zu ihrer Fläche und zur Druckdifferenz zwischen der Kammer 61 und dem atmosphärischen Druck ist; diese Kraft wird auf das Organ 3 ausgeübt und ist nach oben gerichtet und tendiert somit dazu, der vom Element 2 ausgeübten, nach unten gerichteten Kraft entgegenzuwirken. Wenn das Ventil ganz geöffnet ist, hat der Druck in der Kammer 61 seinen Höchstwert erreicht, und die Widerstandskraft, die dazu tendiert, das Ventil wieder zu schließen, ist maximal.
Bei der Projektierung der Membran 9 muss berücksichtigt werden, dass der Druck in den Gasleitungen im Allgemeinen nur um 20–30 mbar über dem atmosphärischen Druck liegt. Aus diesem Grund muss die Oberfläche der Membran 9 grundsätzlich vergrößert werden, um die Widerstandswirkung nutzen zu können; als Richtwert und insbesondere für Ventile, die an Rohre mit ¼-Zoll-Gasgewinde angeschlossen werden, hat die Größe der Membran 9 ein charakteristisches Maß (Durchmesser oder Seite) zwischen 10 mm und 30 mm, vorzugsweise zwischen 15 mm und 20 mm.
Bezüglich der Kennlinien führt die Membran 9 zu einer Änderung in Bezug auf den vorangehenden Fall (1 und 2); in 4 sind als Richtwert zwei Kennlinien dargestellt.
Diese Kurven sind nach rechts gestreckt (weil aufgrund der durch die Membran bedingten Widerstandskraft eine höhere Spannung erforderlich ist, um das Ventil zu öffnen) und weisen somit eine geringere Steilheit und einen lineareren Verlauf auf. Durch diese Maßnahme wird die Regelung des Ventils stark verbessert und das Regelungsverfahren noch wirksamer. Diese Maßnahme ist jedoch auch für sich genommen gültig, da die Verwendung der Membran 9 (wie oben beschrieben) in jedem Fall vorteilhaft ist, um eine bessere Regelung eines Ventils zu ermöglichen. Diese Maßnahme lässt sich kurz gefasst so beschreiben, dass zur Verbesserung des Regelungsverfahrens auf das Verschlusselement des Ventils mechanisch (direkt oder indirekt) eine Kraft aufgebracht wird, die der proportional (linear proportional oder nichtlinear proportional) zum Druck des Fluidums hinter dem Verschlusselement verlaufenden Bewegung entgegenwirkt.
Im Besonderen wird die Widerstandskraft von einer Membran ausgeübt, insbesondere einer elastischen Membran (geeignet geformt und dimensioniert), die in der Lage ist, dieses Fluidum innerhalb des Ventils einzuschließen und die mechanisch (direkt oder indirekt) an das bewegliche Verschlusselement gekoppelt ist; auf diese Weise wird die Widerstandskraft vorteilhafterweise ohne Verwendung zusätzlicher Komponenten erhalten. Wie gesagt, kommt das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft bei Haushaltskochgeräten für gasförmige Brennstoffe, insbesondere bei Gaskochfeldern, Gasöfen und Gasherden zum Einsatz, wobei mit dem Begriff "Gasherde" Haushaltsgeräte bezeichnet werden, die mindestens ein Gaskochfeld umfassen.
Im Allgemeinen umfasst das erfindungsgemäße Haushaltskochgerät für gasförmige Brennstoffe einen Brenner, mindestens ein automatisches Ventil zur Regelung des Gaszuflusses zum Brenner und ein elektronisches Steuerungssystem, das in der Lage ist, dieses Ventil elektrisch zu steuern; das elektronische Steuerungssystem ist in der Lage, das Ventil elektrisch so zu steuern, dass das erfindungsgemäße Regelungsverfahren ausgeführt wird.
Es ist darauf hinzuweisen, dass gemäß den Normen entlang der Gasleitung ein zweites automatisches Ventil (als Sicherheitselement) in Reihe zum oben erwähnten automatischen Regelungsventil eingebaut werden muss. Da die Regelung des Gasdurchflusses mit Hilfe eines einzigen Ventils ausgeführt werden kann, erfordert das zweite, in Reihe eingebaute Ventil das erfindungsgemäße Verfahren nicht unbedingt, auch wenn sein Stellglied eine Bewegungshysterese aufweist; das zweite Ventil kann in der Tat einfach mit zwei Zuständen eingesetzt werden, d. h. ganz geöffnet und ganz geschlossen.
Diese allgemeine Definition hat sich auf einen Brenner bezogen; natürlich umfasst das Haushaltsgerät im Allgemeinen mehrere Brenner (beispielsweise vier oder fünf), für die dieselben Betrachtungen gelten können.
Das elektronische Steuerungssystem ist typischerweise mit einem Mikrocontroller ausgeführt; in diesem Fall kann der Mikrocontroller so programmiert werden, dass er das Ventil elektrisch so steuert, dass das erfindungsgemäße Regelungsverfahren ausgeführt wird.
Das Ventil des Haushaltsgeräts kann vorteilhafterweise so ausgeführt sein, dass es ein bewegliches Verschlusselement und ein elektrisch gesteuertes piezoelektrisches Stellglied umfasst, welches in der Lage ist, das Stellglied (direkt oder nicht) zu bewegen.
Dieses Ventil kann auch Mittel umfassen, die in der Lage sind, sich zu bewegen und sein Verschlusselement zu bewegen und die Bewegungshysteresen aufweisen; unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt es somit, insbesondere die durch diese Hysterese bedingten Probleme zu lösen.
Dieses Ventil kann vorteilhafterweise Mittel umfassen, die in der Lage sind, auf sein Verschlusselement mechanisch (direkt oder indirekt) eine Kraft aufzubringen, die der Bewegung, welche proportional (linear oder nicht) zum Druck des Fluidums hinter dem Verschlusselement ist, entgegenwirkt; wie gesehen, wird die Regelung auf diese Weise verbessert.
Im Besonderen können diese Mittel eine Membran (geeignet geformt und dimensioniert) umfassen, insbesondere eine elastische Membran, die in der Lage ist, das Fluidum im Innern des Ventils einzuschließen und die mechanisch (direkt oder indirekt) an das bewegliche Verschlusselement gekoppelt ist.
Auch diese Maßnahmen sind für das zweite Ventil nicht erforderlich, wenn dieses keine Regelung des Gasdurchflusses vornehmen muss.
Die Lehre dieser Erfindung ermöglicht es, insbesondere eine präzise, zuverlässige und einfache Regelung des Ventils zur Regelung des Brenngases für einen Brenner eines Haushaltskochgeräts, das insbesondere ein Kochfeld oder einen Ofen umfasst, zu erhalten; infolgedessen ist es möglich, eine präzise, zuverlässige und einfache Regelung der Flammenhöhe am Brenner und der vom Brenner abgegebenen Wärme zu erhalten, ohne als Rückkopplungsinformation den Öffnungszustand des Ventils oder das Ausmaß des Gasdurchflusses durch das Ventil zu verwenden.
Die Regelung des Ventils kann auf verschiedenen Gründen beruhen und von verschiedenen Vorrichtungen des Haushaltsgeräts ausgelöst und/oder gesteuert werden. Das erfindungsgemäße Haushaltsgerät umfasst typischerweise ein Bedienfeld, um es dem Benutzer zu ermöglichen, die Flammenhöhe des Brenners einzustellen und/oder die eingestellte Flammenhöhe anzuzeigen; das Bedienfeld ist somit an das elektronische Steuerungssystem angeschlossen.
Dieses Haushaltsgerät kann weiterhin eine Vorrichtung umfassen, um direkt oder indirekt Temperatur und/oder Feuchte der Speisen zu bestimmen (die während des Garens und/oder Erwärmens der Speisen einzusetzen ist), die an dieses elektronische Steuerungssystem angeschlossen ist, um die von diesem Brenner abgegebene Wärme zu regeln; mit Hilfe der präzisen elektronischen Steuerung des Brenners sind nicht nur das automatische Garen der Speisen, sondern auch das automatische Erwärmen der Speisen einfach zu implementieren.
Dieses Haushaltsgerät kann weiterhin einen Zeitgeber umfassen, der an das elektronische Steuerungssystem angeschlossen oder in dieses integriert ist, um die Flammenhöhe oder die von diesem Brenner abgegebene Wärme zu regeln, insbesondere, um das Gasregelungsventil zu schließen.
Dieses Haushaltsgerät kann zudem eine Sicherheitsvorrichtung umfassen, insbesondere einen Flammendetektor des Brenners, der an dieses elektronische Steuerungssystem angeschlossen ist, um das Gasregelungsventil zu schließen.
Dieses Haushaltsgerät kann zudem eine Flammenzündvorrichtung umfassen, insbesondere einen Funkengeber, der an dieses elektronische Steuerungssystem angeschlossen ist, um die Flamme an einem der Brenner zu zünden. Das elektronische Steuerungssystem kann in der Lage sein, den Funken in Verbindung mit einem vom Benutzer erhaltenen Kommando zum Zünden eines Brenners nach einer geeigneten Zeit in Bezug auf das Öffnen des entsprechenden Gasventils auszulösen und/oder zu regeln; dadurch kann ein besseres und zuverlässigeres Zünden des Brenners erreicht werden.
Darüber hinaus kann das elektronische Steuerungssystem in der Lage sein, das Zünden des Brenners in Verbindung mit einem Programm und/oder einer Einstellung seitens des Benutzers zum Garen und/oder Erwärmen von Speisen auszulösen; auf diese Weise ist nicht nur das automatische Garen von Speisen, sondern auch das automatische Erwärmen von Speisen einfach zu implementieren. Darüber hinaus kann das Haushaltsgerät Kommunikationsmittel umfassen, die insbesondere mit seinem elektronischen Steuerungssystem verbunden sind. In diesem Fall kann das Haushaltsgerät mit einem Kommunikationsnetz und/oder einer externen Vorrichtung verbunden werden, um Informationen [...] und/oder von diesem Netz und/oder dieser Vorrichtung zu empfangen. Diese Informationen können insbesondere für eine oder mehrere der folgenden Aktivitäten geeignet sein:

i) Überwachen des Betriebs des Haushaltsgeräts, insbesondere in Bezug auf seine Gasventile, über die entfernte Vorrichtung;
ii) Fernsteuern des Haushaltsgeräts, indem sein Zustand und/oder seine Betriebsparameter geändert werden, insbesondere in Bezug auf seine Gasventile;
iii) Aktualisieren der Liste der Garprogramme, die eventuell im Haushaltsgerät gespeichert sind; und
iv) Durchführen von Diagnosen und/oder Statistiken des Haushaltsgeräts, insbesondere in Bezug auf seine Gasventile.

Wie gesehen, ermöglicht eine präzise und zuverlässige elektronische Regelung der Flamme der Brenner es, viele fortschrittliche Funktionen am Haushaltskochgerät zu implementieren, die dem Benutzer das Leben leichter machen und die Sicherheit des Geräts erhöhen.
Diese Erfindung wird unter Bezugnahme auf besondere Ausführungsbeispiele beschrieben; natürlich sind angesichts der Kenntnisse der Fachleute zahlreiche Varianten möglich und fallen alle diese Varianten in den durch die beiliegenden Ansprüche definierten Rahmen.

Claims

Verfahren zur Regelung eines Ventils (1) für ein Fluidum, insbesondere für Brenngas, das von einem elektrischen Signal (S) gesteuert wird, welches an seinem Steuereingang im Verhältnis zum Wert eines elektrischen Parameters (V) des elektrischen Signals (S), insbesondere Spannung oder Strom, abgegeben wird, wobei das Ventil (1) so ausgeführt ist, dass es, wenn dieser Parameter (V) Werte unterhalb einer unteren Schwelle (VP1) annimmt, ganz geschlossen/geöffnet ist und dass es, wenn dieser Parameter (V) Werte oberhalb einer oberen Schwelle (VP2) annimmt, ganz geöffnet/geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen einer gewünschten Öffnung des Ventils (1) zwischen der ganz geschlossenen und der ganz geöffneten Stellung eine Änderung des elektrischen Signals (S) vorgenommen wird, so dass dieser elektrische Parameter zumindest für einen kurzen Moment einen Wert annimmt, der ungefähr der unteren Schwelle (VP1) oder ungefähr der oberen Schwelle (VP2) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem diese Änderung dergestalt ist, dass der elektrische Parameter zumindest für einen kurzen Moment einen Wert annimmt, der der oberen Schwelle (VP2) und/oder der unteren Schwelle (VP1) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem diese Änderung dergestalt ist, dass der elektrische Parameter die obere Schwelle (VP2) und/oder die untere Schwelle (VP1) nicht wesentlich überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem diese Änderung dergestalt ist, dass dieser Parameter zumindest für einen kurzen Moment zyklisch mehr als ein Mal einen Wert annimmt, der der oberen Schwelle (VP2) und/oder der unteren Schwelle (VP1) entspricht.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem diese Änderung eine Zeit dauert, die geringer als eine zuvor bestimmte Zeit ist, insbesondere 50 ms und vorzugsweise 10 ms.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem diese Änderung einem Endwert dieses Parameters entspricht, wobei dieser Endwert auf der Grundlage einer Kennlinie dieses Ventils bestimmt wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es auf der Grundlage von einer zuvor bestimmten Kennlinie oder von zwei zuvor bestimmten Kennlinien dieses Ventils ausgeführt wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem dieses Ventil (1) ein bewegliches Verschlusselement (31) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Verschlusselement (31) mit Hilfe eines elektrisch gesteuerten piezoelektrischen Stellglieds (2) bewegt wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, bei dem dieses Ventil (1) ein bewegliches Verschlusselement (31) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Verschlusselement (31) mit Hilfe eines Elements (2, 5) bewegt wird, das eine Bewegungshysterese aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem dieses Ventil (1) ein bewegliches Verschlusselement (31) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass auf dieses Verschlusselement (31) mechanisch eine Kraft aufgebracht wird, die der proportional zum Druck des Fluidums hinter dem Verschlusselement (31) verlaufenden Bewegung entgegenwirkt.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem diese Widerstandskraft von einer Membran (9) ausgeübt wird, die in der Lage ist, dieses Fluidum innerhalb des Ventils (1) einzuschließen und die mechanisch an das bewegliche Verschlusselement (31) gekoppelt ist.
Haushaltskochgerät für gasförmige Brennstoffe, umfassend einen Brenner und mindestens ein automatisches Ventil (1) zur Regelung des Gaszuflusses zu diesem Brenner und ein elektronisches Steuerungssystem, das in der Lage ist, dieses Ventil (1) elektrisch zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass dieses elektronische Steuerungssystem in der Lage ist, das Ventil (1) elektrisch so zu steuern, dass das Regelungsverfahren gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 11 ausgeführt wird.
Haushaltsgerät nach Anspruch 12, bei dem dieses Ventil (1) ein bewegliches Verschlusselement (31) und ein elektrisch gesteuertes piezoelektrisches Stellglied (2) umfasst, das in der Lage ist, das Verschlusselement (31) zu bewegen.
Haushaltsgerät nach Anspruch 12 oder 13, bei dem dieses Ventil (1) ein bewegliches Verschlusselement (31) umfasst und Mittel (2, 5), die in der Lage sind, sich zu bewegen und das Verschlusselement zu bewegen und die eine Bewegungshysterese aufweisen.
Haushaltsgerät nach Anspruch 12 oder 13 oder 14, bei dem dieses Ventil (1) ein bewegliches Verschlusselement (31) umfasst und Mittel (9), die in der Lage sind, auf dieses Verschlusselement (31) mechanisch eine Kraft aufzubringen, die der proportional zum Druck des Fluidums hinter dem Verschlusselement verlaufenden Bewegung entgegenwirkt.
Haushaltsgerät nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem diese Mittel (9) eine Membran umfassen, die in der Lage ist, dieses Fluidum innerhalb dieses Ventils (1) einzuschließen und die mechanisch an dieses bewegliche Verschlusselement (31) gekoppelt ist.
Haushaltsgerät nach einem beliebigen der Ansprüche 12 bis 16, ein Bedienfeld umfassend, um dem Benutzer zu ermöglichen, die Flammenhöhe des Brenners einzustellen und/oder die eingestellte Flammenhöhe anzuzeigen, wobei dieses Bedienfeld an das elektronische Steuerungssystem angeschlossen ist.
Haushaltsgerät nach einem beliebigen der Ansprüche 12 bis 17, umfassend eine Vorrichtung zur direkten oder indirekten Bestimmung von Temperatur und/oder Feuchte der Speisen, die an das elektronische Steuerungssystem angeschlossen ist, um die vom Brenner abgegebene Wärme zu regeln.
Haushaltsgerät nach einem beliebigen der Ansprüche 12 bis 18, umfassend einen Zeitgeber, der an das elektronische Steuerungssystem angeschlossen oder in dieses integriert ist, um die Flammenhöhe oder die vom Brenner abgegebene Wärme zu regeln, insbesondere, um das Ventil (1) zu schließen.
Haushaltsgerät nach einem beliebigen der Ansprüche 12 bis 19, umfassend eine Sicherheitsvorrichtung, insbesondere einen Flammendetektor des Brenners, der an das elektronische Steuerungssystem angeschlossen ist, um das Ventil (1) zu schließen.
Haushaltsgerät nach einem beliebigen der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Flammenzündvorrichtung umfasst, insbesondere einen Funkengeber, der an das elektronische Steuerungssystem angeschlossen ist, um die Flamme an diesem Brenner zu zünden.
Haushaltsgerät nach einem beliebigen der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Kochfeld oder einen Ofen umfasst.
Haushaltsgerät nach einem beliebigen der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es Kommunikationsmittel umfasst, die insbesondere mit seinem elektronischen Steuerungssystem verbunden sind, um Informationen zu senden und/oder von einem Kommunikationsnetz und/oder von einer externen Vorrichtung zu empfangen.
Verfahren zur Regelung eines Ventils für ein Fluidum und Haushaltskochgerät für gasförmige Brennstoffe gemäß den innovativen Lehren dieser Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen, die sich auf bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen beziehen.