DE69612184T2 - Eine Ventileinheit zur Regelung des Abgabedruckes eines Gases - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventileinheit zum Steuern des Lieferdruckes eines Gases gemäß dem Oberbegriff des beigefügten unabhängigen Anspruches.
• Wie allgemein bekannt ist, werden diese Einheiten zum Steuern der Lieferung von Gas an einen Brenner oder an einen anderen ähnlichen Verbraucher eingesetzt, um dessen Lieferdruck in einer kontrollierten Weise gemäß vorgegebenen physikalischen Parametern zu variieren, gemessen beispielsweise durch einen elektrischen Strom, welcher dem Solenoid eines elektromagnetischen Stellantriebes der Ventileinheit zugeführt wird.
• Eine Ventileinheit mit den oben umrissenen Merkmalen ist auch aus der EP 272 348 bekannt.
• Die mittels dieser Einheiten ausgeführte Steuerung liefert typischerweise eine charakteristische Kurve, bei welcher unterhalb eines bestimmten minimalen Stromwertes 10 kein Gasstrom geliefert wird, zwischen dem Wert 10 und einem Zwischenwert I1 ein minimaler Gasstrom geliefert wird, und zwischen dem Zwischenwert I1 und einem höheren Wert 12 der Lieferdruck bis auf einen maximalen Druckwert moduliert wird.
• Die Steuerung oder die Unterbrechung der Gaslieferung bis zu dem minimalen Stromwert 10 wird mittels eines Ein-Aus-Gasventils durchgeführt, während die anschließende Steuerung des Lieferdruckes zwischen den minimalen und den maximalen Druckwerten mittels eines Servoventils durchgeführt wird, das durch eine Modulationseinheit mit einer Membran gesteuert wird. Auf die Membran dieser Einheit wird auf einer Seite durch den Lieferdruck des Gases eingewirkt, wie er in dem Lieferkanal zum Verbraucher detektiert wird, und auf der anderen Seite durch eine Federbelastung, die der Wirkung des beweglichen Teils eines Elektromagneten unterliegt und zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert in Abhängigkeit von dem den Elektromagneten ansteuernden Strom variabel ist.
• Ein Problem, auf das man bei diesen bekannten Einheiten trifft, ist das der korrekten Regelung des minimalen Wertes des gelieferten Gasdruckes. Dieser Wert hängt von der auf die Membran wirkenden minimalen Federbelastung ab, die ihrerseits von der Position abhängt, bei welcher ein Betätigungsstößel des elektromagnetischen Stellantriebes gegen einen Tiefpunktanschlag zur Anlage kommt. Natürlich ist die Regelung des minimalen Druckes um so genauer, je niedriger die Elastizitätskonstante der auf die Membran wirkenden Feder ist. Die Auswahl dieser Feder ist deshalb Gegenstand eines Kompromisses zwischen dem Erfordernis nach Steifigkeit, um eine brauchbare Veränderung der Federbelastung in der Stufe der Modulation des Lieferdruckes bis zum maximalen Wert zu ermöglichen, und dem Erfordernis nach Weichheit, um eine Genauigkeit und Stabilität der Justierung während des Betriebes bei dem Tiefpunkt sicherzustellen. Die relative Steifigkeit in der Modulationsstufe ist nichts desto weniger wichtig, um eine ausreichende Veränderung der Federbelastung innerhalb des begrenzten Weges zu bewerkstelligen, der für das bewegliche Teil des elektromagnetischen Stellantriebes zur Verfügung steht, welcher die Druckveränderung bewerkstelligt.
• Das Problem, auf welchem die Erfindung beruht, ist das, eine Ventileinheit zu schaffen, die strukturell und funktional so ausgelegt ist, daß alle Probleme vermieden werden, die man im Zusammenhang mit dem erwähnten Stand der Technik bemängelt. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, den oben erläuterten Kompromißstatus zu reduzieren und so eine stabile und wirksame Regelung der Einheit im Betrieb bei dem minimalen Druck sicherzustellen.
• Dieses Problem ist durch die Erfindung mittels einer Ventileinheit gelöst worden, die entsprechend den nachfolgenden Ansprüchen ausgebildet ist.
• Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausgestaltung derselben klarer, die unter Verwendung eines nicht beschränkenden Beispiels mit Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben worden ist, in denen zeigen:
• Fig. 1 bis 3 Längsschnitte einer Ventileinheit gemäß der Erfindung in drei Betriebsstufen;
• Fig. 4 eine Funktions-Schemazeichnung einer Einzelheit der Einheit gemäß den vorangehenden Zeichnungen;
• Fig. 5 ein Diagramm, welches eine charakteristische Kurve der Ventileinheit gemäß der Erfindung zeigt.
• In den Zeichnungen dient eine allgemein mit 1 bezeichnete Ventileinheit zum Steuern des Lieferdruckes eines Gases, welches der Einheit allgemein mit einem konstanten Druck pI durch einen Lieferkanal 2 zugeführt und von dieser mit einem variablen Lieferdruck pU durch einen Lieferkanal 3 abgeliefert wird. Die Kanäle sind durch ein Servoventil 4 voneinander getrennt, welches ein Verschlußorgan 5 umfaßt, das durch die Federbelastung einer Feder 7 federnd in eine Schließstellung auf einem Sitz 6 gedrückt wird, und das durch eine Membran 8 geöffnet werden kann, die auf die Differenz anspricht, welche zwischen dem Druck in dem Lieferkanal 3 einerseits und dem Druck in einer Führungskammer 9 andererseits detektiert wird.
• Der Druck in der Führungskammer 9 wird durch einen Druckregler 10 geregelt, dessen Funktionsdiagramm in Fig. 4 gezeigt ist.
• Dieser Druckregler 10 umfaßt einen elektromagnetischen Stellantrieb 11, umfassend ein Solenoid 12, einen festen Kern 13, einen beweglichen Kern 14 und einen Betätigungsstößel 15. Der bewegliche Kern 14 ist an dem Betätigungsstößel 15 befestigt, um den letzteren zwischen einer ersten Wegbegrenzungsposition (in der das Solenoid deaktiviert ist), in welcher ein Ende 16 des Stößels 15 auf ein Absperrventil 17 der Einheit 1 wirkt, um dieses in eine geschlossene Position zu drücken (Fig. 1), sowie einer zweiten Wegbegrenzungsposition zu bewegen, in welcher das entgegengesetzte Ende 18 des Stößels 15 an einen justierbaren Anschlag 19 anstößt, der auf der Oberfläche einer Schraube 20 ausgebildet ist, welche in ein axiales Gewindeloch 21 des festen Kerns 13 eingeschraubt ist (Fig. 3).
• Der Stößel 15 wird zu der ersten Wegbegrenzungsposition der Fig. 1 hin durch die Federbelastung einer Feder 22 gedrückt, die mittels einer Gewindebuchse 23 justierbar ist. Der bewegliche Kern 14 wird zu dem festen Kern 13 hin durch eine magnetische Anziehung zurückgestellt, wenn das Solenoid 12 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Rückstellkraft ist proportional zur Stärke des in dem Solenoid fließenden Stromes.
• Der Druckregler 10 umfaßt auch erste, zweite und dritte Kammern, die jeweils mit 30, 31 bzw. 32 bezeichnet sind.
• Die erste Kammer 30 ist mittels eines ersten Überleitungskanals 33 dauernd in Verbindung mit dem Lieferkanal 2, und sie kommuniziert wahlweise mit der Führungskammer 9 und mit der zweiten Kammer 31 über ein kalibriertes Loch 38 und mittels des Absperrventils 17. Das letztere umfaßt ein Verschlußorgan 34, welches durch eine Feder 35 in eine Schließstellung auf einem ersten Sitz 36 gedrückt wird, und welches unter der Wirkung des Stößels 15 so bewegbar ist, daß es einen zweiten Sitz 37 schließt, wenn der Stößel sich in der ersten Wegbegrenzungsposition der Fig. 1 befindet. Da dann, wenn der zweite Sitz 37 durch das Verschlußorgan 34 verschlossen wird, das Ventil 17 eine vollständige Schließung des Servoventils 4 bewirt, wird es in dem vorliegenden Kontext auch durch den Begriff EIN-AUS-Ventil bezeichnet.
• Die dritte Kammer 32 steht immer mit dem Lieferkanal 3 mittels eines zweiten Überleitungskanals 40 in Verbindung, und sie kommuniziert wahlweise mit der Führungskammer 9, um diese zu entleeren, wenn sich das Ein-Aus-Ventil 17 in der geschlossenen Position der Fig. 1 befindet. Die dritte Kammer 32 kommuniziert auch mit der zweiten Kammer 31 mittels eines Ablaßventils 42, welches eine Membran 42a umfaßt, die dem in dem Lieferkanal 3 herrschenden Druck unterworfen ist, und welche ein Verschlußorgan 43 trägt, das einen Sitz 44 in der unten erläuterten Weise verschließen kann.
• Da das Ablaßventil 42 die Funktion hat, das Servoventil 4 zum Modulieren des Lieferdruckes des Gases in dem Lieferkanal 3 in Abhängigkeit von dem in dem Solenoid 12 fließenden Strom zu steuern, wird dieses Ventil auch durch den Ausdruck Modulationsventil bezeichnet.
• Das Verschlußorgan 43 ist allein der Federbelastung einer Tiefpunktfeder 45 unterworfen, wenn der Stößel 15 sich in der ersten Wegbegrenzungsposition befindet (Fig. 1), und der kombinierten Federbelastung der Tiefpunktfeder 45 sowie einer Modulationsfeder 46, wenn sich der Stößel 15 in der zweiten Wegbegrenzungsposition befindet (Fig. 3) oder in einer Zwischen-Modulationsposition (Fig. 2).
• Die ausgewählte Tiefpunktfeder 45 ist relativ weich und wirkt direkt zwischen einer Platte 47, die das Verschlußorgan 43 trägt, sowie einem Anschlag 48, welcher durch Schrauben in einem Gewindeloch 49a justierbar ist.
• Die Modulationsfeder 46 wirkt auf die das Verschlußorgan tragende Platte 47 mittels eines Hebels 50 erster Ordnung, welcher bei einer Zwischenposition desselben an einem Gelenkpunkt 51 schwenkgelagert ist, welcher einem Lagerbock 52 zugeordnet ist, der an der den Körper des Servoventils 1 bildenden stationären Struktur befestigt ist. Die Position des Gelenkpunktes 51 relativ zu den Armen des Hebels 50 ist beispielsweise durch die Ausbildung einer Vielzahl von Löchern 52a, b, c in einander entsprechenden Positionen, sowohl an dem Hebel 50 als auch an dem Lagerbock 52 justierbar, die mit Abständen zueinander angeordnet sind derart, daß der Hebel 50 in einem vorgewählten Paar von Löchern in der Konstruktionsstufe der Ventileinheit schwenkgelagert werden kann. Alternativ dazu kann der Lagerbock 52 auf dem stationären Abschnitt der Ventileinheit so verstellbar sein, daß der Gelenkpunkt 51 mit diesem zu einem von drei Löchern 52a, b, c des Hebels 50 oder in einem einzelnen geschlitzten Loch desselben von einer Länge bewegt wird, die dem gesamten Zwischenachsenabstand der drei zuvor erwähnten Löcher entspricht.
• Die Modulationsfeder 46 ist zwischen einer tassenförmigen Ausbildung 53 an dem Ende des Hebels 50 und einer Schulter 54 an dem Ende 16 des Stößels 15 untergebracht. Man kann sehen, daß dann, wenn der Stößel 15 sich in der ersten Wegbegrenzungsposition befindet, und solange wie jeder in dem Solenoid 12 fließende Strom unterhalb des Wertes II ist, es einen Zwischenraum 55 zwischen der Feder 46 und der tassenförmigen Ausbildung 53 des Hebels 50 gibt, um so sicherzustellen, daß nur die Tiefpunktfeder 45 in dieser Stufe auf das Verschlußorgan 43 einwirkt.
• Man kann auch sehen, daß infolge der gezeigten Struktur sowohl das Ein-Aus-Ventil 17 als auch das Modulationsventil 42 durch einen einzigen elektromagnetischen Stellantrieb gesteuert werden.
• In Fig. 1 ist der elektromagnetische Stellantrieb 11 deaktiviert (oder er ist in einem für das Öffnen des EIN-AUS-Ventils unzureichenden Maße mit Energie versorgt). Der Stößel 15 wird infolgedessen durch die Feder 22 in die erste Wegbegrenzungsposition gedrückt, und das Verschlußorgan 34 des Ventils 17 ist so angeordnet, daß es den zweiten Sitz 37 schließt, womit verhindert wird, daß der Druck des Gases in der ersten Kammer 30, der gleich dem Lieferdruck in dem Kanal 2 ist, auf irgendeine Weise auf die Membran 8 des Servoventils 4 wirkt.
• Wenn man einen zum Öffnen des Ein-Aus-Ventils 17 ausreichenden Strom 10 in dem Solenoid 12 fließen läßt, dann werden die Kammern 30 und 9 mittels des kalibrierten Loches 38 in eine Fluidverbindung gebracht. Der Wert des Lieferdruckes auf der Membran 42a wird kontinuierlich mittels der Verbindung detektiert, die durch den zweiten Überleitungskanal 40 zwischen der dritten Kammer 32 und dem Lieferkanal 3 gebildet ist.
• Wenn der Druck in dem Lieferkanal 3 über einen Wert hinaus anwächst, der ausreicht, um die Federbelastung der Tiefpunktfeder 45 zu überwinden, dann wird das Verschlußorgan 43 geöffnet, womit etwas von dem in der Führungskammer 9 und in der zweiten Kammer 31 aufgebauten Druck abgelassen wird, um so die Öffnung des Servoventils 4 zunehmend zu reduzieren, bis der Druck in dem Lieferkanal auf den vorgewählten Tiefpunktwert zurückgeht. Dieser Wert wird durch Justieren der Federbelastung der Tiefpunktfeder 45 durch Positionieren des Anschlages 48 gewählt.
• Wenn man einen Strom 12 größer als oder gleich einem vorgegebenen Wert zum Steuern des maximalen Gaslieferdruckes in dem Solenoid fließen läßt, dann wird der Stößel 15 in die zweite Wegbegrenzungsposition der Fig. 3 zurückgestellt. Sowohl die Federbelastung der Tiefpunktfeder 45 als auch diejenige, die von der maximalen Zusammendrückung der Modulationsfeder 46 abgeleitet wird, werden damit auf das Verschlußorgan 43 des Modulationsventils aufgebracht. Die Wirkungsweise des Modulationsventils 42 ist die gleiche wie diejenige, die mit Bezug auf den vorherigen Zustand beschrieben wurde, mit dem offensichtlichen Unterschied, daß der Druck in dem Lieferkanal anwachsen kann, bis er dem kombinierten Wert der Federbelastungen der beiden Federn, d. h. der Tiefpunktfeder und der Modulationsfeder, auf die Membran 42a das Gleichgewicht hält.
• Für Stromwerte zwischen I1 und I2 besteht nur eine teilweise Zusammendrückung der Modulationsfeder, eine daraus folgende Modulation der durch die Modulationsfeder 46 auf das Verschlußorgan 43 aufgebrachten Federbelastung und eine entsprechende Modulation des Gasdruckes in dem Lieferkanal.
• Die Erfindung löst damit das gestellte Problem, indem sie eine Feinjustierung und genaue Steuerung des minimalen Druckes des von der Einheit gelieferten Gases infolge der Tatsache erlaubt, daß sie für diese Tiefpunktregelung eine Federbelastung zur Verfügung stellt, die unabhängig von der (und im allgemeinen niedriger als die) Federbelastung der Modulationsfeder ist, die auf das Verschlußorgan des Modulationsventils aufgebracht werden soll. Die Modulationsfeder wird veranlaßt, nur dann auf das Verschlußorgan des Modulationsventils einzuwirken, nachdem ein vorgegebener Wert der physikalischen Parameter (des Stroms in dem Solenoid des elektromagnetischen Stellantriebes), die zum Steuern des Druckes vorgesehen sind, überschritten wurde.
• Ein wichtiger Vorteil, welcher durch die Ventileinheit gemäß der Erfindung erreicht wird, liegt in der Tatsache, daß ein einziger elektromagnetischer Stellantrieb sowohl zum Steuern des EIN-AUS-Absperrventils als auch zum Steuern des Modulationsventils vorgesehen ist. Die Einheit hat auch eine sehr kompakte Struktur und einen in vorteilhafter Weise billigen Aufbau.

Claims (9)

1. Ventileinheit zum Steuern des Lieferdruckes eines Gases, umfassend:

- ein Servoventil (4) mit einem Verschlussorgan (5) mit Membransteuerung (8), wobei die Membran auf einer Seite mit dem Lieferdruck des Gases beaufschlagt ist und auf der anderen Seite mit einem Bezugsdruck, welcher in einer Führungskammer (englisch: piloting chamber) (9) des Servoventils (4) aufgebaut ist,

- einen Druckregler (10), welcher dem Servoventil (4) zugeordnet ist und ein Modulationsventil (42) zum Steuern des Bezugsdruckes in der Führungskammer (9) sowie ein Ein-Aus-Ventil (17) zum Absperren der Gaszufuhr zu der Führungskammer (9) umfasst, und

- Stellantriebsmittel (11) für die operative Steuerung des Druckreglers, umfassend einen einzelnen elektromagnetischen Stellantrieb (11), welcher sowohl auf das Modulationsventil (42) als auch auf das Ein-Aus-Ventil (17) für die operative Steuerung derselben einwirkt, wobei das Modulationsventil (42) umfasst:

- ein Verschlussorgan (43) mit Membransteuerung, wobei das Verschlussorgan auf einer Seite mit der Schubkraft beaufschlagt ist, die durch den Lieferdruck des Gases auf die Membran (42a) ausgeübt wird, und auf der anderen Seite mit einer Federbelastung, welche die Tendenz hat, das Modulationsventil zu schließen, und welche zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert bei Betätigung des Stellantriebes variabel ist,

- eine Modulationsfeder (46), welche bei Betätigung des Stellantriebes (11) auf das Verschlussorgan (43) einwirkt, um die Federbelastung zu erzeugen, welche bis zu dem Maximalwert hin variabel ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsventil (42) eine Tiefpunktfeder (45) umfasst, die strukturell von der Modulationsfeder (46) unabhängig ist und unabhängig von dem Stellantrieb (11) auf das Verschlussorgan (43) einwirkt, um die minimale federnde Belastung zu erzeugen.

2. Ventileinheit nach Anspruch 1, bei welcher der elektromagnetische Stellantrieb ein Solenoid (12), einen festen Kern (13), einen beweglichen Kern (14) und einen Betätigungsstößel (15) umfasst, welcher an dem beweglichen Kern (14) befestigt ist und sowohl auf ein Verschlussorgan (34) des Ein-Aus-Ventils (17) als auch auf das Verschlussorgan (43) des Modulationsventils (42) zum Zwecke der operativen Steuerung dieser beiden einwirkt.

3. Ventileinheit nach Anspruch 2, bei welcher die Modulationsfeder (46) zwischen dem beweglichen Kern (14) und dem Verschlussorgan (43) des Modulationsventils (42) angeordnet ist.

4. Ventileinheit nach Anspruch 3, bei welcher die Modulationsfeder (46) mittels eines Hebels (50) erster Ordnung auf das Verschlussorgan (43) des Modulationsventils (42) einwirkt.

5. Ventileinheit nach Anspruch 4, bei welcher der Hebel (50) bei einer Zwischenposition desselben an einer stationären Struktur der Ventileinheit schwenkbar gelagert ist, wobei die Position des Gelenkpunktes (51) relativ zu den Armen des Hebels justierbar ist.

6. Ventileinheit nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Modulationsfeder (46) koaxial auf dem Betätigungsstößel (15) montiert ist.

7. Ventileinheit nach Anspruch 6, bei welcher der Betätigungsstößel (15) ein freies Ende (16) hat, welches direkt auf das Verschlussorgan (34) des Ein-Aus- Ventils (17) einwirkt, wobei die Modulationsfeder (46) auf den Stößel (15) an dem freien Ende (16) desselben aufgepasst ist.

8. Ventileinheit nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei welcher auf die Tiefpunktfeder (45) einwirkende Regelmittel (48) vorgesehen sind, um die durch diese auf das Verschlussorgan (43) des Modulationsventils (42) ausgeübte federnde Belastung zu regeln.

9. Ventileinheit nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei welcher für vorgegebene operative Bedingungen des Stellantriebes (11), die der minimalen federnden Belastung entsprechen, ein vorgegebener Zwischenraum (55) zwischen der Modulationsfeder (46) des Stellantriebes (11) und/oder dem Verschlussorgan (43) des Modulationsventils (42) vorgesehen ist, so dass nur die Minimalfeder (45) auf das Verschlussorgan (43) einwirkt.