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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern des Öffnens eines
Steuerventils zum Steuern der Gasdurchflussmenge eines Brenners.
Die Erfindung findet insbesondere im Gebiet von Elektrohaushaltsgeräten bei
Gasbrennern zum Hausgebrauch Anwendung, die beispielsweise in Gasöfen von
Küchenherden
oder bei Kochfeldern verwendet werden, die entweder eigenständig oder
in den Küchenherden
integriert sind.
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Die
meisten Gasbrenner funktionieren mit einem Steuerventil zum Steuern
der Gasdurchflussmenge, das für
einen Benutzer zugänglich
ist. 1 zeigt ein Schema
eines Ventils. Das Ventil RBT enthält insbesondere eine Gaszulaufleitung 1 und
eine Gasablaufleitung 2 zum Brenner BRL, der dem Ventil entspricht,
wobei diese Leitung einen Ablaufdurchgang 21 mit festem
Durchmesser aufweist, der die maximale Gasdurchflussmenge im Brenner
bestimmt. Das Ventil enthält
ferner ein bewegliches Teil 3, das sogenannte Drehteil,
das beispielsweise kegelförmig
ist und einen Schlitz mit veränderlichem Querschnitt
hat und vor einer Öffnung
mit festem Durchmesser drehend mitgenommen wird, wodurch es möglich ist,
die Gasdurchflussmenge einzustellen. Gewöhnlich wird das Drehteil mechanisch
von einer für
einen Benutzer zugänglichen
Handhabe mitgenommen.
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Im
allgemeinen enthält
das Steuerventil auch ein elektromagnetisches Sicherheitselement,
beispielsweise ein Elektroventil 4, das es ermöglicht, den
Ablaufdurchgang 21 beispielsweise im Falle eines unbeabsichtigten
Erlöschens
der Brennerflamme zu schließen.
Dieses Elektroventil wird beispielsweise aus einem Elektromagneten 41 gebildet,
der eine Dichtscheibe 42 mitnimmt, und ist mit einem Flammenerfassungssystem,
beispielsweise einem Thermoelement TC, verbunden, das sich in der
Flamme F des Brenners befindet. Wenn die Flamme erlischt, reicht
der vom Thermoelement im Elektromagnet angelegte Strom itc nicht mehr aus, um die Dichtscheibe 42 zu
halten, wodurch diese den Ablaufdurchgang 21 verschließt. Das
Sicherheitselement 4 ist in eine Aufnahmemulde 54 des
Steuerventil eingesetzt, wobei die Abmessungen dieser verschiedenen
Teile standardgemäß sind und
von einem Hersteller zum anderen wenig variieren.
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Beim
Zünden
des Brenners BRL muss das Sicherheitselement ausgerückt sein,
um das Öffnen des
Ablaufdurchgangs 21 zu gestatten. Das Ausrücken erfolgt
gewöhnlich
durch einen vom Benutzer ausgeübten
mechanischen Druck auf die Handhabe, wodurch ein sich an der Dichtscheibe 42 abstützender
Mechanismus mitgenommen wird, womit das Öffnen des Steuerventils gestattet
ist. Wenn die Flamme gezündet
ist, liefert das Flammenerfassungssystem dem Elektromagneten einen
Strom ite, der es ermöglicht, die Dichtscheibe so
zu halten, dass der Durchgang 21 offen gehalten wird.
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Es
ist jedoch vorgesehen, das manuell mitgenommene Drehteil bestimmter
Steuerventile durch motorisierte Drehteile zu ersetzen, die beispielsweise über Getriebemotoren
angetrieben werden und deren Steuerung über eine elektronische Steuerung durch
den Benutzer gewährleistet
wird. Insbesondere ist bei dieser Art von Ventilen das mechanische Ausrücken des
eingesetzten Sicherheitselements nicht mehr möglich.
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Es
ist eine elektronische Steuervorrichtung zum Steuern eines Ventils
bekannt, wie sie in der
EP 0
939 279 beschrieben ist, welche das Öffnen und Schließen eines
Sicherheitselektroventils steuert.
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Die
Erfindung schlägt
eine elektronische Steuervorrichtung zum Steuern des Öffnens des Ventils
vor, mit der es gemäß einem
Anwendungsbeispiel möglich
ist, das Ausrücken
des Sicherheitselements bei Steuerventilen mit motorisierten Drehteilen zu
steuern.
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Dazu
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Steuern des Öffnens zumindest
eines Steuerventils zum Steuern der Gasdurchflussmenge eines Brenners,
wie in den Ansprüchen
1 bis 11 definiert ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
es somit, bei Brennern mit Ventilen mit motorisiertem Drehteil das
Zünden
des Brenners durch Steuern des Öffnens
des Gasablaufdurchgangs im Ventil elektronisch zu steuern. Sie bietet
jedoch zahlreiche weitere Möglichkeiten,
wie etwa das Steuern von bestimmten Funktionen vom Typ schonendes Weiterkochen,
Zeitschaltuhr, Wiederzünden,
etc. sowohl bei Ventilen mit manuell angetriebenen Drehteilen als
auch bei Ventilen mit motorisierten Drehteilen. Sie weist ferner
den Vorteil auf, ein Elektroventil zu verwenden, das im Platzbedarf
vergleichbar mit vorbekannten elektromagnetischen Sicherheitselementen
ist, wodurch es möglich
ist, weder den Aufbau von bestehenden Ventilen zu verändern, noch
zusätzliche
elektromagnetische Elemente außerhalb des
Ventils hinzuzufügen.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich beim Lesen der
nachfolgenden Beschreibung, die in den Figuren veranschaulicht ist, worin
zeigt:
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1 beispielhaft ein Steuerventil
zum Steuern der Gasdurchflussmenge aus dem Stand der Technik (bereits
beschrieben),
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2 ein Schema einer beispielhaften
Steuervorrichtung gemäß der Erfindung,
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3 ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Elektroventils,
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4 ein Ausführungsbeispiel
der elektronischen Steuermittel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
und
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5 ein Ablaufdiagramm, das
beispielhaft die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zeigt.
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In
diesen Figuren sind identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen
angedeutet.
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2 zeigt ein Schema einer
beispielhaften Steuervorrichtung gemäß der Erfindung. Es handelt sich
um die Steuerung zumindest eines Steuerventils RBT zum Steuern der
Gasdurchflussmenge eines Brenners BRL. In 2 ist nur ein Ventil dargestellt, jedoch
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Steuern von mehreren Ventilen Anwendung finden, die jeweils
einem Brenner entsprechen. Die Brenner sind beispielsweise in einem
Kochfeld montiert, das entweder eigenständig oder in einem Küchenherd
integriert ist. Es kann sich auch um Brenner von Gasöfen, von
Heizkesseln und allgemein um jegliche Art von Gasbrenner handeln,
dessen Steuerung der Gasdurchflussmenge über ein Steuerventil erfolgt.
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Wie
in 1 enthält das Ventil
insbesondere eine Gaszulaufleitung 1 und eine Gasablaufleitung 2 zum
Brenner BRL, wobei die Ablaufleitung einen Ablaufdurchgang 21 mit
festem, vorbestimmten Durchmesser aufweist, sowie beispielsweise
ein Drehteil zum Steuern der Gasdurchflussmenge (nicht dargestellt).
Das Ventil enthält
auch eine Aufnahmemulde 5, die es ermöglicht, ein eventuell vorhandenes
Sicherheitselektromagnetelement aufzunehmen.
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Erfindungsgemäß enthält die Steuervorrichtung
für jedes
Steuerventil ein Elektroventil 4, welches einen solchen
Bauraum einnimmt, dass es in der Aufnahmemulde 5 aufgenommen
werden kann. Das Elektroventil 4 enthält insbesondere einen Elektromagneten 41 und
eine Dichtscheibe 42, die groß genug ist, um das Verschließen des
Ablaufdurchgangs 21 zu ermöglichen. Die Dichtscheibe wird
axial vom Elektromagneten mitgenommen. Das Elektroventil 4 enthält ferner
eine Rückstellfeder
für die Dichtscheibe 42 (in 2 nicht dargestellt), mit
welcher der Ablaufdurchgang 21 in Schließstellung
gehalten werden kann, wenn keine Kraft von dem Elektromagneten ausgeübt wird.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines Elektroventils für
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
ist schematisch in 3 gezeigt.
Bei diesem Beispiel handelt es sich um ein Elektroventil mit einem
sogenannten U-förmigen
Elektromagneten 41. Der Elektromagnet enthält eine
einzige Wicklung 43, die über die beiden Schenkel der
U-Form verteilt ist, eine gegebene Gesamtanzahl von Windungen enthält, sowie
einen Anker 44, wobei die Dichtscheibe 42 über eine
Achse 45 mit dem genannten Anker verbunden ist. Selbstverständlich können weitere
Arten von Elektromagneten vorgesehen sein, wie etwa zylinderförmige Elektromagnete.
In 3 ist ferner die
Rückstellfeder
(bei 46) für
die Dichtscheibe 42 dargestellt, durch welche der Ablaufdurchgang 21 in
Schließstellung
gehalten werden kann, wenn von dem Elektromagneten keine Kraft auf
den Anker ausgeübt
wird. Die Feder 46 drückt
auf die Dichtscheibe 42 und auf den Aufbau des Elektromagneten,
der um die Wicklung herum positioniert ist.
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Erfindungsgemäß enthält die Vorrichtung
ferner elektronische Steuermittel (bei 6 in 2 gezeigt} zum Steuern des
Elektroventils eines jeden Steuerventils. Diese Mittel ermöglichen
es, in die Wicklung eines jeden Elektroventils einen gegebenen Spitzenstrom
einzuleiten. Dieser Spitzenstrom sowie die Anzahl an Windungen in
der Wicklung sind derart bemessen, dass das Produkt aus Spitzestrom und
Windungsanzahl (in Amperewindungen angegeben) ausreicht, um mit
der angelegten Elektroantriebskraft das Verschieben der Dichtscheibe 42 und das Öffnen des
Ablaufdurchgangs 21 zu gestatten. Diese Steuermittel werden
nachfolgend näher
beschrieben. Vorteilhaft kann der Benutzer Zugang zu sämtlichen
oder zu einem Teil der Funktionen dieser Steuermittel haben, die
es ihm beispielsweise ermöglichen,
das Zünden
eines Brenners elektronisch zu steuern.
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Somit
ist das Elektroventil der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung in spezieller
Weise bemessen. Gemäß einem
Beispiel im Gebiet von Elektrohaushaltsgeräten, beispielsweise im Gebiet
von Gasbrennern für
Kochfelder oder Gasöfen,
liegt die Rückstellkraft
der Feder typischerweise im Newtonbereich bei einem Ablaufdurchgang 21 mit
einem Durchmesser von etwa 6 mm. Die Feder ist so bemessen, dass sie
den Sicherheitsnormen bezüglich
Gasnetz entspricht. Die seitens Elektromagnet angelegte Elektroantriebskraft
muss ausreichen, um die Rückstellkraft der
Feder zu überwinden.
Die Anmelderin hat aufgezeigt, dass bei diesem Beispiel mit einem
U-förmigen Elektromagneten
vom Typ, wie er vergleichbar ist mit denen, die bei den Sicherheitselementen
aus dem Stand der Technik Anwendungen finden, und dessen Anker sich über eine
Entfernung d von etwa 1,5 mm verlagern muss, das Produkt aus Windungsanzahl und
Spitzenstrom in etwa im Bereich von 1000 Amperewindungen liegt,
was einem Wert entspricht, der wesentlich höher ist als derjenige, der
für den
einfachen Halt des Ankers erforderlich ist. Dazu beträgt die Anzahl
an Windungen der Wicklung beispielsweise etwa 1000. Diese Anzahl
ist wesentlich höher
als die Anzahl von Windungen, die gewöhnlich bei einem Sicherheitselement
vorliegt, das auch einen U-förmigen
Elektromagneten enthält
(bei dieser An von Elektromagnet beträgt die Windungsanzahl nämlich etwa 10
auf jeder Wicklung). Um den erforderlichen Platzbedarf einzuhalten,
schlägt
die Anmelderin in diesem Beispiel vor, nur eine einzige Wicklung
vorzusehen, deren Querschnitt des Drahts einen Durchmesser wesentlich
unter 0,1 mm hat, was einer Größenordnung
entspricht, die wesentlich unter der eines gewöhnlichen Sicherheitselements
liegt.
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Die
Steuermittel 6 (siehe 2)
enthalten Mittel 61 zur Kontrolle der in die Wicklung eines
jeden Elektroventils gelieferten Energiemenge, wenn der Spitzenstrom
angelegt ist. Da der Drahtquerschnitt nämlich vermindert ist, ist die
Resistivität
sehr hoch und es müssen
Sicherheitsmittel eingesetzt werden, um die Verlustleistung in der
Wicklung in Abhängigkeit
von der Zeit zu begrenzen. 4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Steuermittel, welche diese Kontrollmittel darstellen. Sie sind
beispielsweise aus einem Kondensator C gebildet, in dem die zum
Verlagern der Dichtscheibe eines Elektroventils erforderliche Energie
gespeichert wird. Der Lastkreis für den Kondensator C wird im
Beispiel von 4 von einem Spannungsgenerator
U0 gebildet, der mit den Anschlüssen des
Kondensators über
ein Netz verbunden ist, wobei parallel geschaltet ein erster Widerstand
R1 (mit dem die Verlustströme der Kapazität gehalten
werden können)
und ein zweiter Widerstand R2 in Reihe mit
einem ersten Schalter CT1 vorgesehen sind.
Unter Schalter ist jegliche An von mechanischem oder elektrischem
Schalter (aus einem Transistor gebildet) zu verstehen. Der Schalter
CT1 schließt kurzzeitig (während einer
Zeitspanne, die etwa dem dreifachen Produkt aus dem Wert von R2 und der Kapazität des Kondensators entspricht,
d. h. typischerweise 1 Sekunde), um das Laden des Kondensators C
zu beschleunigen, beispielsweise von 0 auf 50 V, wonach R1 diese Ladung hält. Dieser Vorgang erfolgt
automatisch beispielsweise dann, wenn das Kochfeld oder der Ofen
unter Spannung gesetzt wird, oder auch nach dem Zünden eines
ersten Brenners. Somit wird der Kondensator unmittelbar wiederaufgeladen
und ist bereit, sich erneut in die Wicklung eines Elektroventils
zu entladen. Es könnte
pro Elektroventil ein Kondensator dieser Art vorgesehen sein, jedoch
ist in der Praxis tatsächlich
nur ein Kondensator für
sämtliche,
den Brennern entsprechende Elektroventile erforderlich, da der Benutzer
die Brenner im allgemeinen nacheinander und nicht gleichzeitig zündet.
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Andererseits
enthalten die Steuermittel bei diesem Beispiel und für jeden
Brenner Übertragungsmittel 62 zum Übertragen
der im Kondensator gespeicherten Energie zur Wicklung 43 des
Elektroventils des Steuerventils des Brenners, um die Dichtscheibe
des Elektroventils zu verschieben und das Öffnen des Ablaufdurchgangs
des Ventils zu ermöglichen.
Wie in 4 dargestellt
ist, werden die Übertragungsmittel
beispielsweise durch einen Schalter CT2 gewährleistet.
Der Kondensator C entlädt
sich nämlich über den
Schalter CT2 in die Wicklung 43 des Elektroventils,
was in der Wicklung einen Strom ib erzeugt.
Pro Elektroventil besteht ein Schalter. Der Schalter CT2 wird
beispielsweise vom Benutzer gesteuert, wenn dieser den entsprechenden
Brenner zünden
will.
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Die
elektronischen Steuermittel enthalten andererseits für jedes
Elektroventil Mittel 63 zum Zuführen eines Haltestroms in die
Wicklung des Elektroventils, um die Dichtscheibe so halten zu können, dass
der Ablaufdurchgang 21 des entsprechenden Ventils offen
gehalten bleibt. Bei dem Beispiel aus 4 sind
die Mittel zum Zuführen
des Haltestroms aus einer Energiequelle U1 gebildet,
die mit den Anschlüssen
der Wicklung über
einen Widerstand R3 in Reihe mit einem dritten
Schalter CT3 verbunden ist. Der Schalter
CT3 schließt beispielsweise im wesentlichen
gleichzeitig wie der Schalter CT2, wodurch
unmittelbar der Haltestrom gewährleistet
werden kann. Wenn der Kondensator C sich in die Wicklung des Elektroventils
entladen hat, öffnet
der Schalter CT2 (und der Kondensator kann
erneut geladen werden), während
der Schalter CT3 geschlossen bleibt.
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Das Öffnen des
Schalters CT3 kann beispielsweise von dem
Benutzer gesteuert werden, wenn dieser den Brenner ausschalten will.
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Gemäß einer
Variante (in 2 dargestellt) enthalten
die elektronischen Steuermittel ferner eine Elektronik 64 zum
Messen eines Signals, das von einem Flammenerfassungssystem, beispielsweise
einem Thermoelement TC, ausgegeben wird, das in der Flamme F eines
jeden Brenners positioniert ist. Das Messsignal wird beispielsweise
den Haltestromzuführmitteln 63 des
dem Brenner entsprechenden Steuerventils zugeführt, wodurch es bei einem unbeabsichtigten
Erlöschen
der Flamme F möglich
ist, die Zuführung
des Haltestroms abzuschalten und den Ablaufdurchgang des Steuerventils
zu schließen. Beispielsweise
ermöglicht
im Beispiel von 4 das Messsignal
das Öffnen
des Schalters CT3.
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In
der Praxis enthalten die Steuermittel 6 eine Ablaufsteuerung
für die
verschiedenen Schalter, beispielsweise mittels eines Zustandsgenerators oder
eines Mikrocontrollers mit einem Ablaufprogramm. Der Benutzer wirkt
dann mit Auslösen
einer Ablauffolge auf diese Steuermittel ein.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm,
das den Strom in in der Wicklung in Abhängigkeit von der Zeit t angibt,
wobei bei einer beispielhaften Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Steuermittel vom Typ wie anhand von 4 beschrieben
vorgesehen sind. Beim Unterspannungsetzen wird CT1 kurzzeitig
geschlossen, wodurch der Kondensator geladen werden kann. Zum Zeitpunkt
t0 beschließt der Benutzer, den Brenner
zu zünden
und steuert das Schließen
des Schalters CT2. Der Kondensator entlädt sich
in die Wicklung 43, wodurch ein Spitzenstrom ip in
die Wicklung eingeleitet wird, was die Verlagerung des Ankers des
entsprechenden Ventils und das Öffnen
des Ablaufdurchgangs ermöglicht. Parallel
dazu schließt
auch CT3, was in der Wicklung einen Haltestrom
im gewährleistet.
Zum Zeitpunkt t1 beschließt der Benutzer
beispielsweise, den Brenner abzuschalten, und steuert das Öffnen des
Schalters CT3. Der Vorgang kann für jeden
Brenner wiederholt werden.
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Die
erfindungsgemäße Steuervorrichtung bietet
vielfache Anwendungsmöglichkeiten.
Neben der elektronischen Steuerung zum Einschalten eines Ventils
durch einen Benutzer sind Funktionen vom Typ Wiederzünden, nachfolgendes
schonendes Weiterkochen, Zeitschaltuhr, etc. möglich. Beispielsweise für das Wiederzünden kann
bei Anbetracht des Ausführungsbeispiels
der Kontrollmittel aus 4 die
Erfassung einer nicht vorhandenen Flamme an einem Brenner das Schließen von
CT2 und CT3 hervorrufen,
um den Kondensator in die Wicklung zu entladen, damit der Brenner
erneut gezündet
wird und um ihn aufgrund des Haltestroms im gezündeten Zustand zu halten. Bei
nachfolgendem schonenden Weiterkochen können das Schließen und Öffnen der Schalter
CT2 und CT3 aufeinanderfolgend
gesteuert werden, um das nachfolgende Zünden des Brenners zu gewährleisten
und das schonende Weiterkochen zu ermöglichen.