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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung eines Stromes von Niederdruck-Brenngas.
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Schalteinrichtungen,
die Bewegung piezoelektrischer Aktuatoren verstärken, wie sie in der UK-Patentanmeldung
GB 0030263.8 und in
GB 0011350.3 beschrieben
werden, können
verwendet werden, um allmähliches Öffnen einer
Gleitringdichtung bereitzustellen, jedoch sind die Kosten für ein solches
System im Vergleich zu einer manuellen Lösung dieser Aufgabe unvertretbar.
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Tellerventile,
bei denen die Dichtung in eine Öffnung
gepresst und angehoben wird, werden häufig in solchen Anwendungsfällen verwendet,
jedoch wird die Proportionalregelung solcher Geräte durch die Art und Weise
ihres Öffnens
erschwert. In einer Situation, in der Gas gegen den Widerstand einer
Feder einströmt
und der Aktuator die Feder wegzieht, werden die Kräfte, die
der Aktuator aufwenden muss, um die Dichtungskraft und zusätzlich um
ihre Federkonstante erhöht.
Wenn das Ventil durch den Gasdruck geschlossen wird, fällt der
Differenzdruck zusammen, wenn die Dichtung beginnt, sich zu öffnen, und
der Aktuator überregelt
sodann. Lösungen,
wie zum Beispiel Motoren mit Schneckenantrieb, können dieses Problem lösen, jedoch
zu unvertretbaren Kosten.
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Aus
Kostengründen
ist es wünschenswert, einfache
Teile mit geringem Energieverbrauch zu verwenden, und dies hat zu
der Berücksichtigung
von piezoelektrischen Aktuatoren geführt. Jedoch stoßen diese
Aktuatoren auf Probleme, wenn die erforderliche Bewegung groß ist. In
Bezug auf Gasventile wird die von dem Ventilelement V geforderte
Bewegung durch den Durchmesser D der Einlassöffnung bestimmt. Gleichmäßige Strömung wird
nur erzielt, wenn das Ventilelement V einen Durchmesser von wenigstens
25% oberhalb der Öffnung
hat, wie in 1 gezeigt wird. Dies ist darauf
zurückzuführen, dass
die Fläche
eines Rohrdurchmessers D plus 25% von D gleich der Fläche des
Loches D insgesamt ist, so dass die Öffnung keine Verengung darstellt.
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Gassteuerventile
müssen
einen Druckabfall von etwa 1 Millibar aufweisen, wenn ihre größte Strömungsgeschwindigkeit
hindurchgeht, wenngleich dies mit unterschiedlichen Spezifikationen
schwankt. Um einen solchen niedrigen Druckabfall zu erzielen, muss
die Öffnung
etwa die gleiche Größe haben
wie das ankommende Rohr. Bei den meisten Herdanlagen hat das Rohr
einen Innendurchmesser von 4 mm, so dass das Ventil wenigstens 1
mm und vorzugsweise mehr von der Öffnung weg angehoben werden
muss. Dieser Betrag von Bewegung kann nur von einer piezokeramischen
Biegevorrichtung erzielt werden, nicht von einer Klappe, jedoch
bietet nur eine begrenzte Anzahl von Ausführungen eine solche Bewegung
zu angemessenen Kosten an.
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Ein
weiterer Faktor ist, dass die von der piezoelektrischen Biegevorrichtung
verfügbare
Kraft mit der Verschiebung linear abnimmt, wie in 2 gezeigt
wird. Um die Kraft auf einem nutzbaren Niveau vorzuhalten, muss
die Baugruppe innerhalb von 50% der Kraft und von 50% der Durchbiegung
im unbelasteten Zustand arbeiten, wie durch das schattierte Kästchen in 2 gezeigt
wird.
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Aus
dem Vorgesagten ist zu erkennen, dass das Arbeiten mit einem Unterdrucksystem
nicht geeignet ist, da die Schließfeder die von dem Aktuator aufzuwendende
Arbeit verdoppeln wird, so dass die Bewegung, die bereits nahe der
praktischen Grenzen ist, um die Hälfte reduziert wird. Um die
Größe der Bewegung
von der Biegevorrichtung zu erzielen, wird ein System relativ geringer
Steifigkeit erforderlich sein. Wenn das System geringe Steifigkeit
aufweist, muss der Vorgang des Öffnens
gegen den Gasdruck dem Impuls widerstehen, der durch den Zusammenbruch
verursacht wird, wenn sich das Ventil öffnet. Wenn der Aktuator hinreichend
flexibel ist, um die geforderte Bewegung bereitzustellen, neigt
er dazu, die Öffnung
abzuziehen und in eine nichtkontrollierte Schwingung überzugehen,
die es unmöglich
macht, den Gasstrom genau zu regeln.
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Es
ist nicht wünschenswert,
den Aktuator selbst als die Dichtungseinrichtung zu verwenden, da die
Eigenschaft der piezoelektrischen Materialien ein gewisses Maß an Hysterese
umfasst, das verhindern wird, dass der Flügel nach Betrieb eine flache
Dichtung ausbildet.
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Es
ist wünschenswert,
eine Einrichtung zum Öffnen
von Oberdruckventilen zu haben, die die ungeregelte Schwingung verhindert
und dabei gleichzeitig den vollen Bereich von zu nutzender Aktuatorbewegung
zulässt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Ventil zum Steuern von Fluidstrom
bereit, das einen Körper, der
mit einem Fluiddurchlass mit einem Einlass und einem Auslass versehen
ist, ein flexibles Ventilelement, das Fluidstrom durch den Durchlass
unterdrückt,
und eine Einrichtung umfasst, die das Ventilelement bewegt, um gesteuerten
Strom von Fluid von dem Einlass zu dem Auslass zu erzeugen, wobei
das Ventilelement die Form eines elastischen Flügels hat, der schwenkbar um
eine Achse entfernt von dem Durchlass angeordnet ist.
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Vorzugsweise
wird der Flügel
so ausgebildet, dass er die gewünschten
Kraft-/Verschiebungs-Merkmale
bereitstellt.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die Einrichtung zum Bewegen des Ventilelementes ein piezoelektrischer
Aktuator. Weiterhin kann das Ventil mit einer Vielzahl von Eingängen versehen werden,
die jeweils ihr eigenes Ventilelement aufweisen. Die Merkmale der
Ventilelemente müssen
in diesem Fall nicht die gleichen sein, jedoch wird vorzugsweise
ein einzelner Aktuator verwendet, um die beiden Ventilelemente zu
betätigen.
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Weiterhin
können
eine Vielzahl von Ventilen nebeneinander in einer Ventilbaugruppe
verwendet werden, so dass die Baugruppe aus einer Anzahl von Schichten
aufgebaut werden kann.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel beispielhaft
und unter Bezugnahme auf die anhängenden
Zeichnungen beschrieben werden.
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Kurze Erläuterung
der Zeichnungen:
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1 zeigt
eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der grundlegenden
Funktionsprinzipien der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine weitere schematische Darstellung zur Erläuterung der grundlegenden Funktionsprinzipien
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
eine schematische Seitenschnittansicht eines Teiles eines Ventils
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Die 4a bis 4c zeigen
Draufsichten von drei verschiedenen Formen des in der vorliegenden
Erfindung verwendeten Ventilelementes.
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5 zeigt
eine Modifikation eines Teiles des in 3 gezeigten
Ventils.
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6 zeigt
eine detaillierte Modifikation der in 5 gezeigten
Anordnung.
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7 zeigt
eine Draufsicht einer Gruppe von Ventilelementen, die mit der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können,
und
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8 zeigt
eine Perspektivzeichnung einer kompletten Ventilbaugruppe aus einer
Vielzahl von Ventilen, wie sie in 4 dargestellt
werden.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, das in 3 gezeigt
wird, umfasst ein Gasventil einen Hauptventilkörper 100, der mit
einem Auslass 90 und einem Abdeckungselement 101 versehen
ist, das dichtend mit dem Ventilkörper 100 verbunden
ist. Das Abdeckungselement 101 ist mit einem Einlass 10 versehen,
das angeordnet ist, um mit einer Quelle von Gas verbunden zu werden,
und eine Kammer 102 in dem Ventil ausbildet. Der Gasstrom
zwischen dem Einlass 10 und dem Auslass 90 wird
durch ein Ventilelement oder durch mehrere Ventilelemente in der
Form von Flügeln 40, 50 gesteuert,
die so angeordnet sind, dass sie Einlässe zu Durchlässen 70, 80 in
dem Hauptventilkörper 100,
die mit dem Auslass 90 in Verbindung stehen, abdichten.
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Der
bzw. ein jeder der Ventilelementflügel wird an späterer Stelle
ausführlicher
beschrieben werden, wird jedoch mittels eines Hebeelementes 60,
das mit einem geeigneten Aktuator 61 verbunden ist, bewegt.
Die bevorzugte Form eines Aktuators ist ein piezoelektrischer Aktuator,
wie er zum Beispiel unter dem Handelsnamen Servocell von der PBT
Limited in Harlow, England, erhältlich
ist. Andere Aktuatoren können
verwendet werden, wie zum Beispiel solche, die magnetostriktives,
elektrostriktives oder anderes aktives Material verwenden, das in
eine Biegevorrichtung geformt werden kann. Für langsamen Betrieb kann der
Mechanismus auch durch ein thermisches Bimetall betätigt werden.
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Wie
in 3 gezeigt wird, ist der Aktuator 61 außerhalb
des Ventils angeordnet, und das Hebeelement 60 steht über die
Abdeckung 101 hervor. Dies erfordert natürlich, dass
die Öffnung
durch die Abdeckung eine Gleitdichtung mit dem Hebeelement 60 bildet.
In Abhängigkeit
von dem betreffenden Fluid kann es möglich sein, den Aktuator 61 in
dem Ventil selbst anzuordnen und somit die Notwendigkeit einer abgedichteten Öffnung zu
umgehen. Die endgültige Ausführung hat
keine separate Kammer für
den Aktuator, da der Aktuator mit einer geeigneten Schutzschicht
beschichtet ist und auf seiner Oberfläche leitende Oberflächenschichten
hat, die Funkenbildung in dem Fall eines Aktuatorbruches verhindern.
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In
Bezug auf die Flügel 40, 50 werden
diese jeweils als an der Oberfläche 104 des
Körpers 100 an einem
Ende 41, 51 montiert gezeigt, so dass das andere
Ende 42, 52 durch die Wirkung des Hebeelementes 60 angehoben
oder abgelöst
werden kann, um die Einlässe
zu dem bzw. zu einem jeden der Durchlässe 70, 80 zu öffnen. Die
Befestigung kann durch Klemmen, Schweißen oder Fügen erfolgen, und wie an späterer Stelle
gezeigt werden wird, wird vorzugsweise eine begrenzte Bewegung der
Enden 41, 51 zugelassen, um das gewünschte Maß an Abdichtung
zu erhalten.
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Die
Flügel 40, 50 haben
die Form eines dünnen
Flügels
geeigneter Abmessungen und eine Oberflächengüte, um eine gasdichte Dichtung
auszubilden, wenn der Oberdruck von 20 mbar aufgebracht wird. Der
oder die Flügel
sind vorzugsweise aus Metall und weisen ein gewünschtes Maß an Elastizität auf. Eine
Anzahl von Flügelformen
sind für
diese Anwendung geeignet. Ein einfacher Kragarm, ein Träger mit
konstanter Spannung oder eine Spiralform, die ihre Steifigkeit beim öffnen geometrisch
verändert,
sind Beispiele für
einen solchen Flügel.
Diese grundlegenden Trägerformen
werden in 4 lediglich zur Veranschaulichung
gezeigt, wobei 4a einen einfachen Kragarm zeigt, 4b einen
Träger mit
konstanter Spannung zeigt und 4c zeigt
eine Spiralenform geometrischer Progression.
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Die
Formen aus 4 können so verändert werden, dass sie eine
zunehmende oder abnehmende Steifigkeit aufweisen, indem Ausschnitte
oder andere Merkmale eingebracht werden.
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Der
Flügel
(40) bildet einen Umgehungsflügel, der den Umgehungskanal
(70) abdeckt, der eine begrenzte Menge Gas zu dem Auslass
des Ventils (90) strömen
lässt,
was eine kontrollierte kleine Flamme ergibt, die für Zündflamme
und Siedefunktionen geeignet ist. Der Flügel (50) bildet einen
Hauptstromflügel,
der den Hauptkanal (80) abdeckt, der die Vollströmungsmerkmale
des Ventils bereitstellt. Wenn geeignete Rückmeldung in der Form eines
Druckmesssystems bereitgestellt wird, können die Pilot- und Hauptbrennerfunktionen
von einer einzigen Öffnungs-
und Flügel-Anordnung
bereitgestellt werden.
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Die
Kraft, die benötigt
wird, um den Flügel aus
dem abgedichteten Zustand anzuheben, wird durch die folgende Gleichung
definiert: F = S1 + (S × d) + (P × A),wobei:
- S1
- = durch den Dichtungsflügel aufgebrachte Druckkraft;
- S
- = Federkonstante des
Dichtungsflügels;
- d
- = Abstand, der erforderlich
ist, um Federwirkung in der Dichtung zu überwinden;
- P
- = Gasdruckdifferenz
zwischen dem Ventil und dem Auslass;
- A
- = Fläche der
zu öffnenden Öffnung.
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Die
gleiche Gleichung gilt für
den gesamten Öffnungsvorgang.
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Die
Erscheinung der unkontrollierten Schwingung wird reduziert, indem
in einem einfachen Kragarm eine ausreichende Steifigkeit vorhanden
ist, jedoch hat der Flügel
vorzugsweise eine solche Form, dass seine Steifigkeit rasch zunimmt, wenn
die Öffnung
geöffnet
wird. Die Ablenkung eines Trägers
wird durch die folgende Gleichung bestimmt: d
= wl3/3EI, wobei:
- d
- = Ablenkung,
- W
- = Last,
- l
- = Länge des
Kragarms,
- B
- = E-Modul des Materials,
- I
- = zweites Trägheitsmoment
des Abschnittes.
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Für einen
einfachen Träger
wird das zweite Trägheitsmoment
definiert durch: I = bd3/12,wobei:
- b
- = Breite,
- d
- = Trägerdicke.
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Wenn
sich die Breite des Trägers
als geometrische Progression ändert,
wird sich die relative Ablenkung als linearer Reziprokwert dieses
Wertes ändern.
In dem in 3c gezeigten Konzept wird
das Teil zunehmend steif, um bewegt zu werden. In 5 wird
die Position der Öffnung
zu dem Durchlass (80) in Bezug auf die Trägerform
gezeigt. Wenn der Betriebsdruck-Abfall größer ist, kann es wünschenswert sein,
die Rate der Steifigkeitsänderung
zu erhöhen, und
um dies zu tun, kann der Wert d geändert werden,
da es sich hierbei um eine Funktion dritten Grades handelt. Dies
wird durch Einführen
eines Hilfsflügels
(55) erzielt, der in 5 gezeigt
wird und der entlang seiner Kante 56 montiert wird. Die Öffnung wird
zuerst durch den flexiblen Flügel
freigelegt und mit dem Zusammenbruch des Druckgefälles wird
die Schwingung durch die steifere Komponente gedämpft.
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Bei
Verwendung der Konstruktion wie in 5 gezeigt
wurde als vorteilhaft festgestellt, die Gesamtkonstruktion so zu
modifizieren, dass der Einlass zu dem Durchlass 80 mit
einer elastischen Dichtungsfläche
versehen wird, wie sie zum Beispiel in einer O-Ring-Dichtung 81 vorhanden
ist. Dies wird in 6 im Detail gezeigt.
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Weiterhin
wird der Flügel 50 lose
an seiner Montagekante 51 so montiert, dass er begrenzte
vertikale Bewegung (wie in 3 zu sehen)
zulässt,
so dass der Flügel 50 gegen
den O-Ring 81 abdichtet. Der Hilfsflügel 55 wird so angeordnet,
dass er Kontakt mit dem flexiblen Flügel in dem Bereich der Öffnung zu
dem Durchlass 80 herstellt. Vorzugsweise ist dies wirksam
ein Punktkontakt an der Öffnung.
Wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen können die
Formen des flexiblen Flügels
und des Hilfsflügels 55 so
ausgewählt
werden, dass sie die gewünschten
Ventilkennwerte bereitgestellt werden.
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In
Gebrauch wird der Durchlass 80 geöffnet, indem der Aktuator 61 betätigt wird,
um das Ende 52 des Flügels 50 gegen
die Federkraft des Flügels 50 und
des Hilfsflügels 55 sowie
den Gasdruck anzuheben. Der Durchlass wird aufgrund der Federwirkung des
Flügels 50,
der durch den Hilfsflügel 55 und
den Gasdruck ausgeübten
Kraft geschlossen. Die Abdichtung wird durch sowohl diese Kräfte als
auch durch den Venturi-Effekt aufrechterhalten.
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Die
Art dieser Ventilfunktion ist gut geeignet für die Herstellung von Komponenten
in Schichten, was die Wiederholung der Grundkonstruktion als Mehrfachausgangsystem
ermöglicht. 7 zeigt eine
Gruppe von sieben Ventilflügeln,
die aus einer einzigen Materialtafel ausgebildet werden. Die Gruppe
kann ein beliebiges geeignetes Mehrfaches sein, wobei sieben ausreichend
für vier
Kochmulden, einen Grill und zwei Öfen sind.
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Die
Verwendung des piezoelektrischen Biege-Aktuators ermöglicht,
dass die Aktuatoren als ein Einzelteil oder, falls dies vorgezogen
wird, als eine Vielzahl einzelner Betätigungsvorrichtungen hergestellt
wird. 8 zeigt eine komplette Ventilbaugruppe, deren
Aktuatoren als eine Einzelgruppe ausgebildet sind.
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Die
in den 7 und 8 gezeigten Anordnungen können modifiziert
werden, um die in Bezug auf 6 als die
in 4 gezeigte Grundanordnung zu verwenden.
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Durch
die oben genannten und ähnliche Konstruktionen
kann ein elektronisches Proportionalventil erzielt werden, das Aktuatoren
geringer Kraft und großer
Bewegung nutzt, um gegen einen Oberdruck in dem Bereich von 20 bis
200 mbar mit der Steuerung der kritischen Öffnungs- und Begrenzungszonen
zu arbeiten, um plötzliches Öffnen und somit
unkontrollierte Schwankung in dem Strom zu verhindern.