Gasregel- und Sicherheitsventil für Brenner einer modulierbaren Gasheizeinrichtung

Die Erfindung betrifft ein integriertes Gasregel- und Sicherheitsventil für Brenner einer modulierbaren Gasheizeinrichtung, dass zur Anpassung an eine veränderliche Wärmelast und zur schlagartigen Abschaltung des Brenngasstromes, insbesondere bei zur Wohnraumbeheizung und Warmwasserversorgung eingesetzten Gasthermen, Verwendung findet.

Gattungsgemäße Gasregel- und Sicherheitsventile weisen standardmäßig zwei elektrisch steuerbare Aktuatoreinheiten auf, nämlich ein Schnellschlussventil sowie ein Modulationsventil. Die beiden unabhängig voneinander wirkenden Aktuatoreinheiten werden mittels Elektromagneten betätigt und im stromlosen Zustand von Rückstellfedern verschlossen. Das Modulationsventil wird zusätzlich von einem Proportionalmagneten oder einem Schrittmotor zum Zwecke der Modulierung des Gasstroms feinfühlig verstellt, so dass mittels zweier Aktuatoreinheiten zwei Schnellschlussfunktionen und ein Modulierfunktion realisiert werden können.

Aus der DE 103 18 569 B3 ist ein Gasregel- und Sicherheitsventil für Brenner einer modulierbaren Gasheizeinrichtung vorbekannt, das zwei in einem Gehäuse zwischen einem Einlasskanal und einem Auslasskanal koaxial zueinander positionierte Schließelemente aufweist. Das erste, äußere Schließelement umfasst eine Antriebsachse, einen am unteren Ende der Antriebsachse angeordneten Drosselkörper sowie ein auf das erste Schließelement wirkendes erstes vorgespanntes Federelement, das im oberen Bereich der Antriebsachse angeordnet ist. Das zwischen dem ersten Federelement und dem Drosselkörper angeordnete zweite, innere Schließelement weist einen mit einem Hohlanker verbundenen Verschlusskörper auf, der zum Verschließen eines mit dem Auslasskanal

verbundenen Ringspaltes auf einem Ventilsitz aufsitzt. Der Hohlanker ist dabei in einem zylinderartigen, von der Antriebswicklung des Hohlankers umgebenden Hohlraum beweglich und gegen die Kraft eines zweiten vorgespannten Federelements arbeitend angeordnet.

In der DE 101 14 175 C1 ist Koaxialmagnetventil beschrieben, wobei der Magnetantrieb zwei axial übereinander angeordnete und jeweils eine Spule aufweisende voneinander unabhängige Magnetkreise umfasst, die mit zwei axial übereinander angeordneten Ankern zusammenwirken, von denen der eine mit dem inneren Ventilteller und der andere mit dem äußeren Ventilteller verbunden ist, wobei der Anker des äußeren Ventiltellers von einer den inneren Ventilteller mit seinem Anker verbindenden Schubstange durchgriffen wird.

In der mit DE 198 26 076 C1 offenbarten Erfindung wird ein Doppelsicherheitsventil beschrieben. Hierbei umgibt der in Durchflussrichtung des Doppelsicherheitsventils erste (äußere) Ventilteller den zweiten (inneren) Ventilteller, so dass beide Ventilsitze zu einem gemeinsamen Ventilsitz zusammengefasst sind und dieser Ventilsitz die einzige Ventilöffnung umgibt. Bei diesem Doppelsicherheitsventil ist ferner eine Spule vorgesehen, die auf einen mit dem inneren Ventilteller verbundenen Anker wirkt. Der äußere Ventilteller hintergreift den inneren Ventilteller in Schließrichtung und wird daher beim öffnen des inneren Ventiltellers von diesem mitgenommen. Nachteilig an dieser Erfindung ist, dass die beiden Ventilteller somit nur gemeinsam geöffnet werden, und eine voneinander unabhängige Arbeitsweise der beiden Stellglieder nicht gegeben ist.

Des Weiteren ist aus der DE 195 25 384 C2 sowie aus der nahezu gleichlautenden EP 0 757 200 B1 ein Doppel-Sicherheitsmagnetventil mit zwei Stellgliedern bekannt. Die beiden Stellglieder sind auf einer gemeinsamen Achse, vorzugsweise übereinander, angeordnet, wobei das erste Stellglied als Magnetanker einen Hohlanker aufweist, in welchem der Anker des zweiten

Stellglieds längsverschiebbar entlang der gemeinsamen Achse ragt und wobei nur ein einziger Magnetantrieb für beide Stellglieder vorgesehen ist, in den der Hohlanker und der Anker hinein ragen. Obwohl mit diesem Doppelsicherheitsventil bereits eine relativ kompakte Bauweise erzielt wird, ist auf Grund der axial sowohl verschiebbaren als auch hintereinander angeordneten Ventilteller bzw. Stellelemente die axiale Bauhöhe groß.

In der DE 103 61 918 A1 ist ein gasdichter Ventilantrieb mit Motor und Sicherheitsschließfunktion beschrieben, wobei der für den Ventilantrieb eingesetzte Schrittmotor aus einem rotierenden Rotor mit integriertem Spindel- Mutter-System zur Umwandlung der Rotations- in eine Translationsbewegung besteht und als Spindel eine Stellstange mit einem Ventilkegel gekoppelt ist. Bei einer Drehbewegung des Rotors gleitet die Stellstange längs der Motorachse in der Nabe durch eine integrierte Verdrehsicherung im Ventilkörper. Zur Gewährleistung der Funktion der Sicherheitsverstellung ist eine Rückstellfeder vorhanden. Kennzeichnend für diese Erfindung ist, dass der Ventilantrieb aus einem Motorteil und einem Ventilteil mit durchgehender Stellstange besteht und die als Spiralfeder ausgebildete Rückstellfeder auf der Drive-Seite des Motors platziert ist und als erstes Element des Ventilteils nach dem Koppelelement mit dem sie aufnehmenden Ventilkörper und über das Koppelelement mit dem Rotor des Motorteils gekoppelt ist.

Als besonders nachteilig bei den vorbekannten Gasventilen ist die Tatsache zu nennen, dass auf Grund der vielen benötigten Einzelteile große Toleranzketten bzw. eine überlagerung der Stellwege zu verzeichnen sind, die zum einen eine aufwendige Montage erfordern und zum anderen die Störanfälligkeit erhöhen.

Ein weiterer signifikanter Nachteil bei den aus dem Stand der Technik vorbekannten Gasventilen besteht darin, dass die zur Erzielung der äußeren Gasdichtheit erforderliche Dichthülse die mechanische Leistung der Aktuatoren der Gasventile beschränken.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Gasregel- und Sicherheitsventil für Brenner einer modulierbaren Gasheizeinrichtung vorzuschlagen, das zur Sicherstellung zweier Schnellschlussfunktionen und einer Modulierfunktion einfacher aufgebaut ist, und bei dem die dafür vorgesehenen beiden Schließelemente mechanisch vollständig entkoppelt sind.

Erfindungsgemäß umfasst das Gasregel- und Sicherheitsventil für Brenner einer modulierbaren Gasheizeinrichtung zumindest ein Gehäuse mit zwei steuerbaren Schließelementen, deren Achsen voneinander beabstandet sind und sich in einer Linie in Gasströmungsrichtung hintereinander zwischen einem Einlasskanal und einem Auslasskanal des Gehäuses erstrecken, wobei das erste Schließelement in Richtung des Einlasskanals und das zweite Schließelement in Richtung des Auslasskanals wirkt. Die beiden Schließelemente verschließen im stromlosen Zustand unabhängig voneinander jeweils mittels eines zugehörigen Federelements schlagartig das Gasregel- und Sicherheitsventil. Das zusätzlich zur Modulation des Gasstromes dienende erste Schließelement umfasst einen Drosselkörper sowie davon beabstandet das erste Federelement. Das erste Schließelement wird von einem mit einem Elektromotor mit zumindest einer Erregerwicklung gekoppelten Spindel-Mutter- System angetrieben. Das zweite Schließelement hingegen weist einen mit einem Anker verbundenen Verschlusskörper auf, wobei der Anker in einem zylinderartigen Hohlraum und gegen die Kraft des am Anker angreifenden zweiten Federelements arbeitend angeordnet ist. Der Hohlraum ist dabei von einer als Teil eines Elektromagnets ausgebildeten Erregerwicklung des Ankers umgeben.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass die beiden Schließelemente vollständig mechanisch voneinander entkoppelt sind. Darüber hinaus können unter Verzicht auf eine gasdichte Dichthülse im Luftspalt des Linearantriebes und/oder

Elektromagneten größere Stellkräfte realisiert werden. Durch den Verzicht auf die gasdichte Isolierhülle sind die stromführenden Bauteile, insbesondere die Erregerwicklung des als Schrittmotor ausgeführten Elektromotors des ersten Schließelements und die Erregerwicklung des Ankers des zweiten Schließelements, im Gasstrom platziert. Mit praktischen Versuchen konnte nachgewiesen werden, dass das erfindungsgemäße Gasregel- und Sicherheitsventil mit bis zu 30% größeren Stellkräften arbeiten kann, was zu einer erhöhten Betriebssicherheit führt. Das heißt, dass bei gleicher Kraft eine wirtschaftlichere Dimensionierung des erfindungsgemäßen Gasregel- und Sicherheitsventils erfolgen kann.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse zweiteilig mit einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil ausgebildet ist, wobei das erste Schließelement im ersten Gehäuseteil und das zweite Schließelement im zweiten Gehäuseteil platziert ist. Das Gehäuse weist bevorzugt eine Zylinderform auf, wobei an einer ersten Stirnseite der Einlasskanal und die Einlasskammer und an der anderen Stirnseite der Auslasskanal platziert sind. Die beiden Gehäuseteile werden zur Fertigung des Gasregel- und Sicherheitsventils üblicherweise derart miteinander verbunden, dass die stirnseitigen Wandungen beider Gehäuseteile aufeinander liegen und unter Verwendung eines Dichtelements gegeneinander abdichten.

Der Anker des zweiten Schließelements kann sowohl als Vollanker als auch als Hohlanker gefertigt sein. Ein als Hohlanker ausgebildeter Anker ist dabei in dem zylinderartigen Hohlraum gegen die Kraft des innerhalb des Hohlankers platzierten zweiten Federelements arbeitend angeordnet. Bei Verwendung eines Vollankers hingegen greift das zweite Federelement außen am Vollanker an.

Das Spindel-Mutter-System kann erfindungsgemäß sowohl innerhalb des Elektromotors als auch außerhalb des Elektromotors angeordnet sein. Im

ersten Fall wird die Mutter bzw. der Rotor von der Erregerwicklung des Motors angetrieben, wobei die Spindel als Antriebsachse ausgebildet ist. Im zweiten Fall wird die Mutter von der Motorwelle angetrieben.

Die voneinander beabstandeten Achsen der beiden steuerbaren Schließelemente können beliebig zueinander, jedoch bevorzugt orthogonal als Eckventil, parallel oder axial in einer geraden Linie hintereinander, im Gehäuse platziert sein.

Bei der Ausbildung des Gasregel- und Sicherheitsventil mit axial in einer geraden Linie hintereinander angeordneten Schließelementen ist zusätzlich eine Wellfederscheibe vorgesehen, die zum Zwecke des Ausgleichs der axialen Toleranzen sowie zur Sicherstellung eines erforderlichen Anpressdrucks der beiden Schließelemente an der Gehäusewand sandwichartig zwischen den zueinander weisenden Stirnseiten der beiden Schließelemente platziert ist.

Nach der Konzeption der Erfindung ist in Gasströmungsrichtung dem Einlasskanal die Einlasskammer nachgeordnet, wobei in Schließstellung des Gasregel- und Sicherheitsventils der Drosselkörper mittels seiner Dichtfläche auf einem am Ende der Einlasskammer angeordneten Ventilsitz und der Verschlusskörper mittels seiner Dichtfläche auf einem am Anfang des Auslasskanals angeordneten Ventilsitz gasdicht aufsitzt. Der Drosselkörper ist hierbei zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung in der Einlasskammer axial beweglich ausgebildet.

Die Gemeinsamkeit beider Schließelemente besteht darin, dass beide Schließelemente mit jeweils einem zugehörigen vorgespannten Federelement beaufschlagt sind. Der signifikante Unterschied in der Funktion beider Schließelemente besteht allerdings darin, dass das erste Schließelement eine Regelfunktion zur Anpassung des Gasstroms an eine veränderliche Wärmelast

übernimmt und das zweite Schließelement ausschließlich als Sicherheits- Absperreinrichtung eingesetzt wird. Das erste Schließelement wird dabei mittels eines Linearantriebs aus seiner Schließstellung in seine Offenstellung entgegen einer Federkraft bewegt. Das zweite Schließelement hingegen wird in seiner Offenposition mittels eines Elektromagnets gehaltert.

Durch die voneinander unabhängige Funktions- und Betriebsweise der beiden Schließelemente wird eine vollständige Blockade des erfindungsgemäßen Gasregel- und Sicherheitsventils im Havarie- oder Fehlerfall zuverlässig ausgeschlossen.

Der Drosselkörper des ersten Schließelements kann jedwede Form und Ventilkennlinie zur Modulation des zur Versorgung des Brenners der Gasheizeinrichtung benötigten Gasstroms auf. Bevorzugt wird jedoch eine progressive Ventilkennlinie gewählt, da hiermit variable Versorgungsdrücke besser stabilisiert werden können und damit die Gefahr eines schwingenden Regelkreises unterbunden wird.

Der Verschlusskörper des zweiten Schließelements übernimmt dann die Funktion einer Sicherheitsabsperrvorrichtung, wenn das Gasregel- und Sicherheitsventil stromlos geschaltet ist. Bei Spannungsausfall wird der Auslasskanal mittels des Verschlusskörpers gasdicht verschlossen, indem sich das innerhalb des Hohlankers platzierte zweite Federelement oder das bei einem Vollanker außen angreifende zweite Federelement entspannt.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Ventilsitz und die Dichtfläche des Drosselkörpers jeweils ringförmig ausgebildet, wobei in der Offenstellung des Drosselkörpers sich zwischen dem Ventilsitz und dem Drosselkörper ein Ringspalt für das einströmende Gas ausbildet.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das erfindungsgemäße Gasregel- und Sicherheitsventil nur aus wenigen Komponenten aufgebaut ist,

was zum einen den Vorfertigungsgrad erhöht und zum anderen die Störanfälligkeit verringert.

In dem sich longitudinal erstreckenden Gasregel- und Sicherheitsventil strömt das Gas im Wesentlichen in Richtung der Längsachse des Gehäuses ohne größere Richtungsumlenkungen, so dass in der Offenstellung des Gasregel- und Sicherheitsventils bzw. seiner Schließelemente der auftretende Druckverlust relativ gering ist. Hierzu ist ein vom Gas durchströmter Kanal innerhalb des Gehäuses vorgesehen, der sich vom Einlasskanal bis zum Auslasskanal ringförmig um die beiden Schließelemente erstreckt.

Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:

■ durch die voneinander beabstandete Anordnung der Achsen der beiden Schließelemente in einer geraden Linie hintereinander kann das Gasregel- und Sicherheitsventil unter Verzicht auf eine Dichthülse höhere Stellkräfte sowie einen besseren Wirkungsgrad realisieren,

■ in den Ventilaufbau lässt sich sehr einfach die Elektronik zur Ansteuerung und Regelung des Ventils integrieren, da die Verbindungsleitung vom Motor und Elektromagnet über eine einzige in der Gehäusewandung des Ventils platzierte gasdichte Durchführung geführt werden kann,

^■ verringerte Herstellungskosten durch Verwendung von nur weniger Komponenten,

^■ die vollständig mechanische Entkopplung der beiden Schließelemente erhöht die Ausfallsicherheit,

■ beide Schließelemente werden jeweils durch ein vorgespanntes Federelement beaufschlagt und verfügen damit beide über eine Schnellschließfunktion,

^■ der Drosselkörper des ersten Schließelements übernimmt zusätzlich eine Regel- bzw. Modulationsfunktion zur Anpassung des Gasstroms an veränderliche Wärmelasten und

^■ der Antrieb des ersten Schließelements ist als Linearantrieb und der Antrieb des zweiten Schließelements ist als Elektromagnet ausgebildet.

Die Ziele und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, von denen zeigen:

Fig. 1: eine Schnittdarstellung des Gasregel- und Sicherheitsventils mit einem innerhalb des Motors angeordneten Spindel-Mutter-System in Offenstellung der beiden Schließelemente,

Fig. 2: eine Schnittdarstellung des Gasregel- und Sicherheitsventils mit einem innerhalb des Motors angeordneten Spindel-Mutter-System in Schließstellung der beiden Schließelemente und

Fig. 3: eine Schnittdarstellung des Gasregel- und Sicherheitsventils mit einem außerhalb des Motors angeordneten Spindel-Mutter- System in Schließstellung der beiden Schließelemente.

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein und dasselbe erfindungsgemäße Gasregel- und Sicherheitsventil mit einem innerhalb des Motors angeordneten Spindel-Mutter- System jeweils in einer Schnittdarstellung in der Schließstellung und in der Offenstellung. Das Gasregel- und Sicherheitsventil besteht aus einem zweiteiligen Gehäuse mit einem ersten Gehäuseteil 1.1 und einem zweiten Gehäuseteil 1.2. Beide Gehäuseteile 1.1 und 1.2 sind in ihrem Koppelbereich an ihren Außenseiten miteinander verschraubt und abgedichtet. Am Ende des ersten Gehäuseteils 1.1 ist der Einlasskanal 2 mit der sich in

Strömungsrichtung des Gases daran anschließenden Einlasskammer 3 platziert. Am Ende des zweiten Gehäuseteils befindet sich die Auslasskammer. Innerhalb des Gehäuses sind als zentrale Komponenten das erste, in Richtung des Einlasskanals 2 wirkende Schließelement sowie das zweite, in Richtung des Auslasskanals wirkende Schließelement platziert, deren Achsen voneinander beabstandet sind und sich in einer geraden Linie hintereinander zwischen dem Einlasskanal 2 und dem Auslasskanal 4 erstrecken. Das elektrisch steuerbare erste Schließelement erstreckt sich dabei im ersten Gehäuseteil 1.1 ausgehend vom Koppelbereich 19 bis zur Einlasskammer 3 und das elektrisch steuerbare zweite Schließelement erstreckt sich im zweiten Gehäuseteil 1.2 ausgehend vom Koppelbereich 19 bis zur Auslasskammer 4. Innerhalb des Gasregel- und Sicherheitsventils strömt das Gas in einem im Wesentlichen ringförmig ausgebildeten Kanal 5, der sich von der Einlasskammer 3 bis zum Auslasskanal 4 erstreckt, wobei die stromführenden Bauteile ohne Verwendung einer gasdichten Dichthülse im Gasstrom platziert sind. Das erste Schließelement weist eine als Spindel eines Linearantriebs 15 ausgebildete Antriebsachse 15.1 auf, an derem Ende ein Drosselkörper 8 und an derem gegenüberliegenden Ende, respektive im Koppelbereich der beiden Gehäuseteile 1.1 , 1.2, das erste Federelement 7 platziert ist. Der Schrittmotor umfasst ferner die Wicklungen 16 des Elektromotors 15 mit dem nicht näher spezifizierten Rotor, welcher mit der sich translatorisch bewegenden Antriebsachse 15.1 gekoppelt ist. Die Umwandlung der Rotationsbewegung des Rotors in eine Translationsbewegung der Antriebsachse 15.1 erfolgt demnach innerhalb des Elektromotors 15 mittels des Spindel-Mutter-Systems. Das zweite Schließelement hingegen umfasst einen mit einem Hohlanker 9 verbundenen Verschlusskörper 10, wobei der Hohlanker 9 in einem zylinderartigen, von einer als Teil eines Elektromagnets ausgebildeten Erregerwicklung 17 des Hohlankers 9 umgebenden Hohlraum 18 und gegen die Kraft des innerhalb des Hohlankers 9 platzierten zweiten Federelements 12 arbeitend angeordnet ist. Mittels ihrer zugehörigen Federelemente 7, 12 verschließen die beiden Schließelemente unabhängig voneinander im

stromlosen Zustand schlagartig das Gasregel- und Sicherheitsventil. Das erste Schließelement wird jedoch unter Verwendung des Linearantriebs zusätzlich zur Modulation des Gasstromes eingesetzt. Der Drosselkörper 8 des ersten Schließelements ist zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung in der Einlasskammer 3 axial beweglich ausgebildet. In Schließstellung des Gasregel- und Sicherheitsventils gemäß Fig. 1 sitzt der Drosselkörper 8 mittels seiner Dichtfläche 8.1 auf einem am Ende der Einlasskammer 3 angeordneten Ventilsitz 13 auf. Der Verschlusskörper 10 verschließt in der Schließstellung die Auslasskammer mittels seiner Dichtfläche 11 , die auf einem am Anfang des Auslasskanals 4 angeordneten Ventilsitz 14 gasdicht aufsitzt. Der Ventilsitz 13 und die Dichtfläche 8.1 des Drosselkörpers 8 sind dazu jeweils ringförmig ausgebildet. In der Offenstellung des Drosselkörpers 8 gemäß Fig. 2 bildet sich zwischen dem Ventilsitz 13 und dem Drosselkörper 8 ein Ringspalt für das einströmende Gas aus. Der Drosselkörper 8 weist bevorzugt eine konische Form auf. Im Koppelbereich 19 des ersten Gehäuseteils 1.1 und des zweiten Gehäuseteils 1.2 ist eine partiell sich über den Querschnitt des Gasregel- und Sicherheitsventils erstreckende Wellfederscheibe 6 vorgesehen, die sandwichartig zwischen den zueinander weisenden Stirnseiten der beiden Schließelemente platziert ist. Die Wellfederscheibe 6 kontaktiert folglich partiell beide Schließelemente und sichert primär den Ausgleich der axialen Toleranzen der beiden Schließelemente. Sekundär erzeugt sie den erforderlichen Anpressdrucks, respektive die Vorspannung, der beiden Schließelemente an der zugehörigen Gehäuseinnenwand.

Die Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung des Gasregel- und Sicherheitsventils mit einem außerhalb des Elektromotors 15 angeordneten Spindel-Mutter- System in Schließstellung der beiden Schließelemente unter Verwendung der Bezugszeichen aus den Figuren 1 und 2. Der grundsätzliche Aufbau des Gasregel- und Sicherheitsventils entspricht dem der Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, dass der Elektromotor 15 eine Motorwelle 15.2 aufweist, an derem Ende das Spindel-Mutter-System außerhalb des Elektromotors 15

platziert ist. Die Umwandlung der Rotationsbewegung der Motorwelle 15.2 in eine Translationsbewegung des Drosselkörpers 8 erfolgt demnach außerhalb des Elektromotors 15 mittels des Spindel-Mutter-Systems.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1 Gehäuse

1.1 erstes Gehäuseteil

1.2 zweites Gehäuseteil

2 Einlasskanal

3 Einlasskammer

4 Auslasskanal

5 Kanal

6 Wellfederscheibe

7 erstes Federelement

8 Drosselkörper

8.1 Dichtfläche des Drosselkörpers

9 Anker

10 Verschlusskörper

11 Dichtfläche des Verschlusskörpers

12 zweites Federelement

13 Ventilsitz des Drosselkörpers

14 Ventilsitz des Verschlusskörpers

15 Linearantrieb, Elektromotor

15.1 Antriebsachse

15.2 Motorwelle

16 Wicklungen des Motors

17 Erregerwicklung des Ankers

18 Hohlraum

19 Koppelbereich

20 Ringspalt