Die Erfindung betrifft eine Gasmischvorrichtung für einen Gasbrenner, bestehend aus einer Gasarmatur, die über eine Gaszuleitung mit einem Mischraum verbunden ist, welcher mindestens eine Lufteintrittsöffnung aufweist, und ein Gebläse, welches mit der Eingangsseite der Lufteintrittsöffnung in Verbindung steht oder welches mit der Ausgangsseite des Mischraumes und einem Brenner verbunden ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer Mischvorrichtung für einen Gasbrenner mit einem Mischraum, die über ein Gebläse mit dem Brenner verbunden.

Solche Gasmischvorrichtungen dienen der Aufbereitung des Gas-Luft-Gemisches beispielsweise für Brennwertgeräte. Dabei werden die Volumenströme von Brenngas und Verbrennungsluft in dem Mischraum zusammengeführt und mittels des Gebläses dem Brenner zugeführt. Die Brennerleistung wird durch die vom Gebläse geförderte Luftmenge bestimmt. Diese erzeugt durch eine Engstelle an der Lufteintrittsöffnung in dem Mischraum einen Unterdruck, der dazu ausgenutzt wird, den Volumenstrom des Brenngases dadurch zu regeln, dass dieses mittels eines Druckreglers in der Gasarmatur auf Umgebungsdruck gehalten wird und danach eine geeignet dimensionierte Engstelle passiert.

Das Verhältnis von Druckdifferenz und Volumenstrom an einer Engstelle hat einen parabelförmigen Verlauf. Zur Erzielung eines Modulationsverhältnisses von 10 zwischen kleinster und größer bereitgestellter Brennerleistung muss daher die Druckdifferenz um den Faktor 100 variiert werden. Dies stellt hohe Anforderungen an die Gasmischvorrichtung, die hohe Kosten zur Folge haben.

Die DE 197 49 510 A1 offenbart eine Mischeinrichtung für modulierende Gasbrenner zum Mischen von Brenngas und Luft. Einer Mischkammer der Mischeinrichtung wird einerseits über einen Luftzufuhrkanal, in dem eine Drossel angebracht ist, die Luft zugeführt, und andererseits über einen Gaszufuhrkanal, in dem eine Drossel angebracht ist, das Gas zugeführt. Die Drosseln sind derart ausgeführt, dass in ihnen während des Betriebs der Mischeinrichtung eine laminare Strömung der Luft bzw. des Gases auftritt.

Dadurch wird erreicht, dass das Verhältnis von Druckdifferenz und Volumenstrom linear ist und daher die auftretenden Druckdifferenzen weit weniger variieren als bei Verwendung von Engstellen zur Bestimmung der Volumenströme. Die Komponenten der Gasmischvorrichtung müssen somit geringere Anforderungen erfüllen und können kostengünstig ausgeführt werden.
Die DE 100 11 707 A1 offenbart ein Gasheizgerät, bei dem Brenngas und Luft angesaugt und als Gemisch einem Brenner zugeführt werden, wobei das aus einer Gasarmatur austretende Gas und die über eine Luftzufuhr einströmende Luft über Laminar-Durchfluss-Elemente (laminares Flow-Element) ansaugbar sind. Dadurch wird über einen großen Bereich des Differenzdruckes ein linearer Zusammenhang zum Volumenstrom erreicht.

Eine Bauart der laminaren Flow-Elemente umfasst eine Vielzahl parallel durchströmter Durchflusskanäle kleinen Querschnitts. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist die Anfälligkeit der laminaren Flow-Elemente gegenüber Verschmutzungen aus der Umgebungsluft.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verschmutzungsunanfällige Gasmischvorrichtung zu schaffen, mit der ein hohes Modulationsverhältnis bei niedrigen Kosten erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Linearisierungselement in der Gaszuleitung und mindestens ein weiteres Linearisierungslelement für die Luftzufuhr an dem Mischraum angeordnet ist, wobei das mindestens eine weitere Linearisierungselement als Lufteintrittsöffnung mit dahinter angebrachtem Steuerelement ausgebildet ist. Dadurch wird eine geringe Anfälligkeit gegenüber Verschmutzungen aus der Umgebungsluft erreicht.

In einer bevorzugten Ausführung wird das Steuerelement als dauerelastische Zunge ausgebildet, die mittels eines Abstandhalters in dem Mischraum in Richtung der Luftströmung hinter der Lufteintrittsöffnung angeordnet ist. Diese Ausführung ist besonders einfach im Aufbau, unempfindlich gegen Verschmutzung und kostengünstig in der Erstellung.

Eine gute Beständigkeit gegen Veränderungen des Gas-Luftgemisches durch Alterung von Komponenten der Gasmischvorrichtung wird erreicht indem das Steuerelement aus dünnem Blech, vorzugsweise aus Federstahl ausgebildet ist

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ausführungsform sieht vor, dass das Steuerelement mit einer aktiven Komponente in Wirkverbindung steht. Hierdurch kann das Mischungsverhältnis des Gas-Luft-Gemisches gezielt angepasst werden.

Eine besonders einfach anzusteuernde Ausführungsform der variablen Gasmischvorrichtung wird dadurch bereitgestellt dass an das Steuerelement ein Dauermagnet angebracht ist, der in Wirkverbindung mit einem Elektromagneten steht.

Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das Verhältnis von Druck und Volumenstrom in der Gaszuleitung durch ein Linearisierungselement linearisiert wird und der Luftstrom in dem Mischraum durch ein weiteres Linearisierungselement linearisiert wird, wobei die Linearisierung des Verhältnisses von Druck und Volumenstrom am Linearisierungselement erfolgt, indem sich das Steuerelement bei zunehmender Strömung derart biegt, dass sich der Querschnitt der Lufteintrittsöffnung vergrößert. Hierdurch wird erreicht, dass in bei einem vergrößerten Modulationsbereich des Volumenstromes die Druckdifferenzen in einem technisch leichter realisierbaren Bereich bleiben.

Ein besonders großes Modulationsverhältnis bei konstanter Gemischaufbereitung wird dadurch erreicht, dass die Linearisierung des Verhältnisses von Druck und Volumenstrom am Linearisierungselement auf die Linearisierung des Verhältnisses von Druck und Volumenstrom am Linearisierungselement in der Gaszuleitung derart abgestimmt wird, dass ein konstantes Verhältnis von Gasmenge zu Luftmenge in dem Mischraum erreicht wird.
Wird mittels eines Steuerstromes die Kraft des Elektromagneten auf den Dauermagneten derart eingestellt, dass durch die Querschnittsänderung der Lufteintrittsöffnung das Verhältnis von Gasmenge und Luftmenge gezielt verändert wird, kann das Mischungsverhältnis des Gas-Luftgemisches in weiten Bereichen eingestellt werden.

Eine automatische Regelung des Gas-Luftgemisches wird erreicht indem die Gasmischvorrichtung mit einem Sensor zur Bestimmung der Luftzahl (Lambda) versehen wird, das Ausgangssignal des Sensors einem Regelelement zugeführt und das Ausgangssignal des Regelelementes dem Elektromagneten zugeführt wird.

Eine verbesserte Verbrennung mit geringerem Schadstoffausstoß und verringerter Geräuschentwicklung wird erreicht, indem die durch die Induktionswirkung des Dauermagneten in der Magnetspule des Elektromagneten induzierte Spannung zur Dämpfung von Schwingungen des Steuerelementes benutzt wird oder Brennerschwingungen detektiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine vereinfachte Ausführung der Gasmischvorrichtung für einen Gasbrenner gemäß dem Stand der Technik

Fig. 2

eine Gasmischvorrichtung für einen Gasbrenner gemäß dem Stand der Technik

Fig. 3

eine vereinfachte Ausführung der Gasmischvorrichtung für einen Gasbrenner gemäß der Erfindung

Fig. 4

eine Gasmischvorrichtung für einen Gasbrenner gemäß der Erfindung

Fig. 5

in schematischer Darstellung ein Linearisierungselement

Fig. 6

in schematischer Darstellung das Linearisierungselement in einer verstellbaren Ausführungsvariante

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Ausführung einer Gasmischvorrichtung 1 für einen Brenner 50, wie sie derzeit beispielsweise zur Mischung von Gas und Luft für einen Brennwertkessel zum Einsatz kommen.

Eine derartige Gasmischvorrichtung 1 besteht aus einer Gasarmatur 30, die mit einer Gasleitung 40 verbunden ist, die mit einem Mischraum 10 verbunden ist, welcher wiederum über ein Gebläse 20 mit einem Brenner 50 verbunden ist. Die Gasarmatur 30 besteht aus zwei Sicherheitsventilen 32, 33 und einem Druckregler 31. Der Mischraum 10 weist mindestens eine Lufteintrittsöffnung 12 auf, über die Verbrennungsluft in den Mischraum 10 einströmen kann. Durch die Gaszuleitung 40, die eine Engstelle 42 zwischen Gasarmatur 30 und Mischraum 10 aufweist, kann das Brenngas in den Mischraum 10 einströmen. Der Mischraum 10 ist einseitig mit dem Gebläse 20 verbunden, welches ein Gebläserad 21 und einen Motor 22 aufweist. Das Gas-Luft-Gemisch wird mittels des Gebläses 20 angesaugt und über eine Gasgemisch-Leitung 23 dem Brenner 50 zugeführt.

Die Einstellung der richtigen Gasmenge erfolgt mit der Gasarmatur 30, die einen Druckregler 31 enthält, der den Gasdruck in der Gasarmatur 30 auf dem Wert des Umgebungsdruckes hält.

Die Luft strömt durch die Lufteintrittsöffnung 12, die häufig aus vielen Öffnungen mit geringem Querschnitt ausgebildet ist. Dadurch entsteht ein Unterdruck in dem Mischraum 10, der dafür sorgt, dass eine bestimmte Gasmenge aus der Gasarmatur 30 in den Mischraum 10 einströmt. Infolge der Gasströmung kommt es an der Engstelle 42 zu einem Druckabfall, der sich nahezu proportional zum Quadrat des Volumenstromes durch diese Engstelle 42 verhält. Ähnlich verhält es sich bei der Verbrennungsluft. Auch hier weist die Funktion zwischen Druckabfall über die mindestens eine Lufteintrittsöffnung 12 und Volumenstrom einen nahezu parabelförmigen Verlauf auf. Da sowohl das Gas als auch die Verbrennungsluft eine Querschnittsverengung passieren müssen, ist der Druckabfall in der Gasströmung proportional zum Druckabfall in der Luftströmung, wodurch sich innerhalb des Modulationsbereichs ein konstantes Mischungsverhältnis einstellt.

Eine weitere Ausfühungsform der Gasmischvorrichtung 1 besteht aus einer Gasarmatur 30, die mit einer Gasleitung 40 verbunden ist, die mit einem Mischraum 10 verbunden ist, welcher wiederum mit einem Brenner 50 verbunden ist. Die Gasarmatur 30 besteht aus zwei Sicherheitsventilen 32, 33 und einem Druckregler 31. Durch die Gaszuleitung 40, die eine Engstelle 42 zwischen Gasarmatur 30 und Mischraum 10 aufweist, kann das Brenngas in den Mischraum 10 einströmen, der beispielsweise in der Form eines Mischrohres ausgeführt sein kann. Der Mischraum 10 weist mindestens eine Lufteintrittsöffnung 12 auf, über die Verbrennungsluft in den Mischraum 10 einströmen kann. Die Lufteintrittsöffnung ist mit einem Gebläse 20 verbunden, welches ein Gebläserad 21 und einen Motor 22 aufweist. Der Druckregler 31 ist mittels einer Druckleitung 34 mit der Luftzuführung hinter dem Gebläse 20 und vor der Lufteintrittsöffnung 12 verbunden.

Die Einstellung der richtigen Gasmenge erfolgt mittels des Druckreglers 31, der den Gasdruck in der Gasarmatur 30 auf dem Wert des Druckes vor der Lufteintrittsöffnung 12 hält.

Nachteilig ist bei diesem Stand der Technik, dass mit einer derartigen Vorrichtung nur ein kleiner Modulationsbereich erzielt werden kann. Eine Gasarmatur 30, die extreme Druckbereiche exakt regeln kann, wie sie bei größeren Modulationsbereichen auftreten, muss als Präzisionsbauteil ausgeführt werden und ist damit sehr teuer.

In Fig. 3 ist eine vereinfachte Gasmischvorrichtung 1 in der erfinderischen Ausführung dargestellt.

Im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist die Gaszuleitung 40 statt der Engstelle 42 ein Linearisierungselement 41, beispielsweise ein laminares Flow-Element auf. Dieses Element besteht aus zahlreichen Kanälen mit geringem Querschnitt, durch die Gas strömen kann. Kennzeichnend für derartige laminare Flow-Elemente ist, dass das Verhältnis von Volumenstrom und Druckabfall bis zu einem bestimmten Volumenstrom nahezu linear verläuft.

Weiterhin weist die erfinderische Ausgestaltung der Gasmischvorrichtung 1 an dem Mischraum 10 mindestens ein Linearisierungselement 11 auf, das ein lineares Verhältnis von Volumenstrom und Druckabfall der durchströmenden Luft aufweist. Dieses Linearisierungselement 11 besteht aus einer Lufteintrittsöffnung 12, einem Steuerelement 13 und einem Abstandshalter 14, wobei das Steuerelement 13 innerhalb des Mischraumes 10 in Richtung der Luftströmung hinter der Lufteintrittsöffnung 12 angeordnet ist.

In Fig. 4 ist eine Gasmischvorrichtung 1 in der erfinderischen Ausgestaltung dargestellt, bei der der Druckregler 31 wie in Fig. 2 über die Druckleitung 34 mit der Luftzuführung vor der Lufteintrittsöffnung 12 verbunden ist und den Gasdruck auf den dort vorhandenen Wert des Luftruckes regelt. Im Unterschied zu Fig. 3 ist hier das Gebläse 20 in Gasflussrichtung vor dem Mischraum 10 angeordnet.

Fig. 5 zeigt das Linearisierungselement 11 in einer vergrößerten Darstellung.

Das Steuerelement 13 ist innerhalb des Mischraumes 10 über einer Lufteintrittsöffnung 12 mittels eines Abstandshalters 14 derart angebracht, dass sich im Ruhezustand bzw. bei minimalem Volumenstrom eine minimale Querschnittsfläche für die einströmende Luft ausbildet, was insbesondere durch die Höhe des Abstandhalters 14 eingestellt werden kann. Das Steuerelement 13 schließt die Lufteintrittsöffnung 12 nahezu ab. Bei steigendem Volumenstrom biegt sich das Steuerelement 13 in Strömungsrichtung und vergrößert so die Querschnittsfläche für die einströmende Luft und vermindert den Druckabfall. Mit diesem Steuerelement 13 wird erreicht, dass der Druckabfall in Abhängigkeit vom Volumenstrom über die Lufteintrittsöffnung 12 nahezu linearisiert wird.

Das Steuerelement 13 kann im einfachsten Fall als dauerelastische Zunge ausgebildet sein, und beispielsweise aus einer aus dünnem Blech ausgebildeten Feder bestehen. Vorzugsweise kann die Zunge aus Federstahl oder Kunststoff bestehen.

Grundsätzlich kann im Bereich der mindestens einen Lufteintrittsöffnung 12 auch ein laminares Flow-Element eingesetzt werden, was aber den Nachteil hätte, dass dieses vergleichsweise schnell mit Staub aus der Umgebungsluft zugesetzt wird.

Eine weitere Ausführungsform des Steuerelementes 13 kann in Form einer Abgasklappe vorgesehen sein. In dieser Ausführungsform kann auf den Abstandshalter verzichtet werden.

In bevorzugter Ausführungsform werden in der Gasmischvorrichtung 1 zwei unterschiedliche Verfahren zur Linearisierung der Verläufe des Druckabfalls der Luftund der Gas-Strömung eingesetzt. Dabei ist das Verhältnis von Druck und Volumenstrom in der Gaszuleitung 40 durch ein Linearisierungselement 41, beispielsweise durch ein laminares Flow-Element, und das Verhältnis von Druck und Volumenstrom der Verbrennungsluft mittels eines zweiten Linearisierungselementes 11 eingestellt. Das Linearisierungselement 11 besteht dabei aus der Lufteintrittsöffnung 12, dem Steuerelement 13 und dem Abstandhalter 14. Bei optimaler Einstellung sind beide Linearisierungsverfahren derart aufeinander abgestimmt, dass ein konstantes Verhältnis von Gasmenge zu Luftmenge über einen relativ großen Modulationsbereich in dem Mischraum 10 erreicht wird. Damit kann eine einfache und kostengünstige Gasmischvorrichtung 1 bereitgestellt werden.

Die Kennlinie des Linearisierungselementes 11 kann durch die Geometrie der Zunge, ihre Steifigkeit, beeinflusst durch Material und Dicke, sowie durch die Höhe des Abstandhalters 14 angepasst werden.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Gasmischvorrichtung 1 auch als verstellbare Vorrichtung ausgeführt sein. Dabei steht das Steuerelement 13 mit aktiven Komponenten in Wirkverbindung.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem an dem als Feder ausgebildeten Blechstreifen des Steuerelementes 13 ein Dauermagnet 16 angebracht ist. In unmittelbarer Nähe ist ein Elektromagnet 15 angeordnet, der von einem Steuerstrom durchflossen wird. Je nach der Höhe des Steuerstroms kann eine unterschiedliche Kraft auf den Dauermagneten 16 ausgeübt werden. Diese Kraft beeinflusst die Stellung des Steuerelementes 13, wodurch die Querschnittsfläche an der Lufteintrittsöffnung 12 verändert werden kann. Dadurch kann gezielt das Mischungsverhältnis von Gas und Luft eingestellt werden.

Die aktive Komponente, beispielsweise der Elektromagnet 15 kann auch mit dem Steuerelement 13 fest verbunden sein und mit einem passiven Element, beispielsweise dem Dauermagneten 16 in Wirkverbindung stehen.

Im Zusammenspiel mit einem Sensor zur Messung der Luftzahl (Lambda) kann eine Luftzahlregelung aufgebaut werden, indem das Ausgangssignal des Sensors einem Regelelement zugeführt wird und das Ausgangssignal des Regelelementes der aktiven Komponenten, beispielsweise dem Elektromagneten 15 zugeführt wird.

In einer weiteren Ausführungsform können aufgrund der Induktionswirkung des Dauermagneten 16 auf die Magnetspule des Elektromagneten 15 Schwingungen des Steuerelementes 13 gedämpft werden oder Brennerschwingungen detektiert werden.

Insgesamt lassen sich mit diesem Verfahren und mit den Ausführungsbeispielen kostengünstige und verschmutzungsunempfindliche Gasmischvorrichtungen bereitstellen, die einen großen Modulationsbereich aufweisen und/oder eine Luftzahlregelung erlauben.