DE1629892A1

DE1629892A1 - Piezoelektrische Zuendvorrichtung zur Entflammung von brennbaren Gasen

Info

Publication number: DE1629892A1
Application number: DE19671629892
Authority: DE
Inventors: Leo Steinke; Wilhelm Wiest
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1967-02-22
Filing date: 1967-02-22
Publication date: 1971-03-11
Also published as: US3457461A; AT284324B; GB1221070A; FR1555988A

Description

H.-Nr-. tföl' IS. 2. 1·)67

Anlage zur

Anmeldung

ROD ERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart W,. Breitscheidstrasse

Piezoelektrische Zündvorrichtung zur Entflammung von brennbaren Oasen

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Zündvorrichtung für brennbare Gase mit mindestens einem an eine Funkenstrecke angeschlossenen Piezoelement und einem auf das Piezoelement einwirkenden Sohlagorgan, das über einen Kraftspeicher mit einem betätigungsorgan gekoppelt ist.

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3ci bekannten piezoelektrischen Zündvorrichtungen dieser Art (US-Patentschrift 3 200 295) reicht der bei Betätigung einer Drucktaste durch einen Schlagbolzen im Tiezoelement erzeugte Druckimpuls oftmals nicht aus, um an der Funkenstrecke einen zur Entflammung des Gases zeitlich ausreichend langen und kräftigen Zündfunken zu erzeugen. Dieser Mangel tritt insbesondere bei . piezoelektrischen Zündvorrichtungen für Gasgeräte, wie Gasöf oder Gasherde, mit schwer entflammbaren Gasen wie Butan oder Erdgas auf. Befinden sich im Augenblick des Funkenüberschlags an der Funkenstrecke zu fette oder zu magere Gemischzonen des ausströmenden Gases, so wird das Gas gar nicht entflammt.

Bei einer ebenfalls bekannten Ausführung eines Piezozünders wird der zur Zündung der Funkenstrecke erforderliche Druck auf das Piezoelement durch Hebelwirkung von Hand aufgebracht (österreichische Patentschrift 241 008). Die dabei auftretenden, statisch wirkenden Kräfte von 300 - 500 kp bedingen eine robuste und schwere Konstruktion mit großem technischem Aufwand. Solche Zündvorrichtungen weisen bei individuell unterschiedlicher Betätigung des Druckhebelsystems eine erhebliche Zündunsicherheit selbst für leicht entflammbare Gase auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische Zündvorrichtung zu entwickeln, die unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile bei geringem Platzbedarf einen einfachen und leichten konstruktiven Aufbau besitzt und eine sichere Entflammung leicht und schwer entflammbarer Gase gewährleistet. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß brennbare Gase bei Verwendung von Magnetzündern durch über 0,1 bis 1 ms sich erstreckende Nachentladunp^en an der Funkenstrecke sicher entflammt werden.

Eine piezoelektrische Zündvorrichtung mit ähnlichen Eigenschaften ist erflndungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement

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zwischen dem Gchlagorgan und einem federnd gelagerten Amboß

angeordnet ist, welcher beim Aufschlag des Sehlagorgans auf das . Plezoelernent durch den "sich.-im Piezoelement fortpflanzenden Druck-Impuls zurückfedert und mit zeitlichem Abstand einen weiteren Druck impuls auf das Piezoelement; _r ausübt. ^:

Dabei sind Schlagorgan, Amboß sowie Schlag- und Amboßfeder so aufeinander abgestimmt, daß der Abstand der bei Betätigung der Vorrichtung im Pl e ζ oelement erzeugten zwei "Druckimpulse ebwa ö,5 bis 1 ins beträgt. Bei jedem der beiden Druckimpulse werden durch den raschen Druckanstieg und Bruckabfall zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Zündfunken an der Funkenstrecke erzeugt.

Zur Entflammung schwerer Gase wird die elektrische Energie, die an der Funkenstrecke in wärme umgesetzt wird,, durch Verwendung von zwei In bekannter Weise übereinander angeordnete, elektrisch paraJ Ie!geschaltete Piezoelemente verdoppelt*.:"-'

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des jJrfindungsgogenstandeis dargestellt und erläutert. Es zeigend

Pig. 1 den schematiselieni Aufbau der: erfindungs;gemäßen Vorr 1 chtung.

Fig. 2 den. Spannungsverlaof der Zündvorrichtung:

a) bei Leerlauf und

b) bei angeschl-ossener Funkenstrecke,,

Fig, β- eine .ZühdlvForrichtung: .mit zwei Piezoelementen für einen Gasofen im; Längsschnitt,

Fig. 4 die gleiche; Vorrichtung: im Längsschnitt, wobei die beiden üdmitthälften die be¹! Betatigun;r dsr Drucktaste auftretenden Betrie^bsstellungen; darscellen>

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Fig. 5 üitie Zündvorrichtung mit einem Piezoelement für ein Tischgasfeuerzeüg im Längsschnitt und

Fig. 6 die gleiche Vorrichtung im Längsschnitt, wobei die beiden Schnitthälften die bei Betätigung der Drucktaste auftretenden Betriebsstellungen darstellen.

In Fig. 1 ist der mechanische Aufbau der Zündvorrichtung schematisch dargestellt. Die Drucktaste 10 liegt an Masse und wirkt auf eine üchlagfeder 1.1 mit einer Federkonstante von 0,1 %£., an welche eine Schlagmasse 12 von 45 g angekoppelt ist.· Unter der Schlagmässe 12 sind zwei Piezoelemente 15 "übereinander angeordnet und durch entgegengesetzte Polung elektrisch parallel geschaltet. Ihr HüChspännungsansehluß 14 steht mit einer.Funkenstrecke 15 in elektrisch leitender Verbindung. Unter den Piezoelementen 13 ist ein Amboß 16 von 45 g angeordnet, der mit einer Amboßfeder mit einer Federkonstante von 0,6 ^Jl gekoppelt ist, die sich an eine Gehäusemasse l8 abstützt.

Bei Betätigung des Systems beschleunigt die zuvor gespannte Schlagfader 11 die Schlagmasse 12, so daß diese mit einer Energie von ca. 0,04 m kp auf die Stirnfläche des oberen Piezoelements 15 aufschlägt. Der. dabei in den Piezoelementen l'j> erzeugte Druckimpuls wird auf den an der Stirnfläche des unteren Piezoelements I5 an-1 iegenden Ambolä 16 übertragen, der dadurch gegen die AmboSfeder nach unten gestoßen wird. Die gespannte Arnboßfeder I7 beschleunigt anschließend den Amboß l6 in entgegengesetzter Richtung, der hierauf auf die■Stirnfläche des unteren Piezoelements IJ mit einer Energie von ca. 0,03 m kp aufschlägt, wobei in den Piezoelementon 1J> ein weiterer Druckimpuls erzeugt wird.

Bei jedejtn der beiden uruckimpulse findet' ein· kürzzeitiger Druckanstieg und Druckabfall statt, so daß bei nicht angeschlossener Funkenstrecke der in Fig. 2a dargestellte Spannungsverlauf erzeugt

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wird (Leerlaufspannung gemessen am Hochspannungsanschluß 14). Die Spannung ist etwa proportional dem Druck in derjPiezoelementen. .13. Die beim Auftreten der hohen Spannung über die Isolationsund Innenwiderstände der Anordnung; stattfindende'Selbstentladung bewirkt beim Druckabfall einen geringen Spannungsanstieg ins Negative, wobei die Selbstentladung in- umgekehrter Richtung kompensiert wird. Die Spannungsspitze des ersten Impulses liegt bei etwa 10 kV. Der nach"0,1". bis 1,0 ms auftretende zweite Spannungsimpuls hat einen ähnlichen Verlauf, nur ist die Spannungsspitze wegen- der geringeren Energie beim zweiten Druckitnpüls entsprechend kleiner.

Bei Anschluß einer Funkenstrecke 15 ergibt sich der aus Fig. 2b ersichtliche Spannungsverlauf. Sobald die Piezospannung beim Druckanstieg die Durchbruchsspannung der Funkenstrecke I5 von ca. 10 kV erreicht, schlägt ein Funke zwischen den Elektroden der Funkenstrecke 1,5 über und die Spannung bricht schlagartig zusammen. Durch den dann eintretenden Druckabfall in den Piezoelementen 13 wird eine Spannung von entgegengesetzter Polarität erzeugt, die nunmehr an der durch den vorausgegangenen Funken ionisierten Funkenstrecke'15 eine. Lichtbogen-Nachentladung zur Folge hat. Der gleiche Vorgang wiederholt sich beim zweiten Druckimpuls. Da die Funkenstrecke 15 zu dieser Zeit noch immer eine gewisse Ionisierung besitzt, reicht die dabei entstehende Spannung von > 7 kV aus, um erneut einen Funken mit einer entgegengesetzt polarisierten Lichtbogen-Nächentladung zu erzeugen.

Die in Fig. > dargestellte Zündvorrichtung für einen Gasofen besteht aus einem Gehäuse 20 in Form einer zylindrischen Patrone. Im unteren Teil des an Masse liegenden Gehäuses 20 ist ein zylindrischer Amboß 21 mittels einer Amboßfeder 22 gegen den Gehausebodqn 20a abgestützt. Der Amboß 21, an dessen Unterseite

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eine Dämpfungsscheibe 23 aus Gummi angebracht ist, weist oben eine napfförmige Ausnehmung 21a auf, die zur Führung zweier in · einer Isolierstoffhülse 24 eingesetzter Piezoelemente 25 dient. Die Piezoelemente 25 sind durch entgegengesetzte Polung elektrisch parallel geschaltet. Ihr Hochspannungsanschluß 26 ist durch die Isolierstoffhülse 24 aus dem Gehäuse 20 herausgeführt. Die Isolierstoffhülse ;?^ wird durch ihren Bund 24a im Gehäuse 20 geführt und mittels einer in das Gehäuse 20 eingesprengten Niederhaltefeder 27 gegen axiale Verschiebung gesichert. Am oberen Teil der Isolierstoff hülse 24 ist eine Rückholfeder 28 angeordnet, die sich einerseits gegen den Bund 24a abstützt und andererseits einen Schlagbolzen 29 trägt. Der Schlagbolzen 29 ist an dem, den Piezoelementen 25 zugewandten Ende zur Führung der Rückholfeder 28 napfförmig ausgebildet und weist am anderen linde einen bundartigen Ansatz 29a zur r;inrastung von Rastfedern 30 auf. Der Ansatz 29a dient gleichzeitig zur Abstützung einer Schlagfeder 31 > die in eine darüberliegeride Drucktaste 32 hineinragt. Die Rastfedern 30 sind am Umfang eines Halteringes 33 gleichmäßig verteilt angeordnet und bilden mit ihm ein Teil aus thermoplastischem Kunststoff, welches oben im Gehäuse 20 eingebördelt ist. Die Rastfedern 30 greifen dabei mit einer an ihrem unteren Ende befindlichen Nase 30a hinter den Ansatz 29a des Schlagbolzens 29. Sie haben außerdem oberhalb der Nasen 30a einen Spreizsteg 30b, der zum Ausrasten des Schlagbolzens 29 beim Herunterdrücken der Drucktaste 32 dient.

Wie Fig. 4 zeigt, rutscht dabei die untere Kante der Drucktaste 32 über den Spreizsteg 30b hinweg und drückt die Rastfedern 30 nach außen. Dadurch geben die Nasen 30a den Ansatz 29a des Schlagbolzens 29 frei und der Schlagbolzen 29 schießt, beschleunigt durch die beim Herunterdrücken der Drucktaste 32 gespannte Schlagfeder 31, nach unten. Er schlägt auf den Sctilagkopf 25a des oberen , Piezoelements 25 auf und drückt gleichzeitig die relativ schwache Rückho!feder 28 zusammen. Durch den sich über die Piezoelemente 25 fortpflanzenden Druckimpuls wird der Amboß 21.gegen die

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Arnboßfeder 22 nach unten gestoßen (Fig. 4, linke Hälfte).- Der Amboß 21 federt sodann durch die gespannte Arnboßfeder 22 beschleunigt zurück und schlägt auf den Schlagköpf 2,5b des unteren Piezoelements 25 auf (Fig. 4, rechte Hälfte),, Mo er einen weiteren Druekimpuls erzeugt. Nach dein zweiten Pruekimpuls wird die Drucktaste 52 losgelassen und die Rückholfeder 2b drückt den Schlagbolzen 29 und die Drucktaste 32 wieder indie; AusgangSSteilung zurück. Dabei rasten die Nasen j5Oa der -Rastfedern; JO erneut hinter den Ansatz 29a des Schlagbolzens 29 ein. Die bei Betätigung der Vorrichtung an dem Hochspannungsanschluß 26 oder ä-n einer daran angeschlossenen Funkenstrecke entstehende Spannung hat den in Fig. a und b dargestellten Verlauf. - '

' Die in Fig. 5 dargestellte Zündvorrichtung hat ein rechteckiges Gehäuse HO zum ßinbau in ein_;Tischgasfeuerzeug, dessen oberer Teil als hohlzylindrischer Ansatz 40a ausgebildet ist. Das Gehäuse 4o ist durch eine an Masse liegende Metallplatte 41 unten abgeschlossen, gegen die sich eine Schlagfeder *I2 abs.tützt. Die Schlagfeder 42 trägt ein Schiagorgan 4>, das aus einem metallischen Schlagbolzen 44, einer Isolierstoffhülse 46 und einem darin eingesetzten Piezoelement 45gebildet ist. Dabei ist die Isolierstoffhülse 46 mit dem Piezoelement -45 in einer Ausnehmung 44a des Schlagbolzens 44 festgeschraubt und trägt vorn einen über die ntirnfläche der Isolierstoffhülse 46 hinausragenden Schlagkopf 4y. i)ie Isolierst off hülse 46 ist ferner rr.lt einem Bund 46a zur Auflage der Schlagfeder 42 und zur Führung des Schlagorgans 4> versehen. ' " ■

Im Ansatz 4oa des Gehäuses 4o ist ein metallischer Amboß 48 angeordnet, der einen HOchsparinungsans chluß 49 aufweist und der auf Vorsprünge 50 im Ansatz 40a aufliegt. Der Amboß 48 ist dabei * entgegen der Kraft einer Amboßfeder 51 axial beweg;!ich. Die Amboßfeder bΓ dient gleichzeitig als Rückholfeder für eine Drucktaste 52,

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die koaxial über den Ansatz 40a angeordnet ist. Sie ist an zwei sich "gegenüberliegenden Seiten mit einer federnden Zunge 53 versehen, die am unteren Ende mit einer nach innen gerichteten Nase 5^l* durch einen Schlitz 55 in das Gehäuse 40 hineinragt und an die der Bund 46a der Isolierstoffhülse 46 von unten her anliegt. Die Zungen 53 sind außerdem an beiden Seiten der Nase 5'* mit einer Ab-rutschleiste ^lj6 versehen, die beim Herunterdrücken dfiX' Drucktaste 52 ,jeweils über eine schiefe Ebene 57 am Gehäuse hinwegrutschen und die Rastzungen 53 nach außen drücken (Fig. 6).

Beim Herunterdrücken der Drucktaste 52 wird zunächst das Schlagorgan kj> durch die Nasen 54 nach unten gedruckt und die Schlagfeder 42 gespannt, bis die Nasen ^k am Bund 46a nach außen gespreizt werden und das Schlagorgan 43 freigeben (Fig. 6, linke Hälfte), welches hierauf beschleunigt durch die in der Schlagfeder 42 gespeicherte Kraft hochschießt. Beim Aufschlag des Schlagkopfes 47 auf den Amboß 48 erhält das Piezoelement 45 einen Druckimpuls, durch den gleichzeitig der Amboß 48 gegen die Kraft der feder 51 zurückgestoßen wird (Fig. 6, rechte Hälfte). Der Amboß federt, anschließend beschleunigt, durch die dabei gespannte Feder 51 gegen den Schlagkopf 47 zurück und erzeugt mit zeitlichem Abstand einen weiteren Druckimpuls im Piezoelement Beim Loslassen der Drucktaste 52 wird diese schließlich wieder durch die Feder 51 in ihre Ausgangsstellung gebracht und die Nasen 34 der Zungen 53 rasten erneut in ihre Stellung auf dem Bund ²»6a am Schlagorgan 43 ein. Die bei Betätigung der Vorrichtung im Piezoelement 45 erzeugte Spannung hat ebenfalls den in Fig. 2a und b dargestellten Verlauf.

Während leicht entflammbare Gase zumeist durch die erste Haupt- und Nachent.ladung entflammt werden, erfolgt die Entflammung schwerer Gase mit Sicherheit durch die zeitlich verzögerte zweite Haupt- und Nachentladung. Durch Vorschalten eines ohmsehen

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Widerstandes oder einer Induktivität vor der Funkenstrecke kann die Dauer der einzelnen Entladungen in an sich bekannter Weise noch zusätzlich verlängert werden. In vorteilhafter Weise ist als Vorwiderstand ein hochohmiges Entstörkabel zu verwenden. -Da zur Entflammung des Gases das Gasventil vor dem Funkenüber-. schlag an der Funkenstrecke geöffnet sein muß, ist die Drucktaste mit einer Einrichtung zum Öffnen eines Gasventils zu koppeln.

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Claims

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Ansprüche

1. Piezoelektrische Zündvorrichtung für brennbare Gase mit mindestens einem an eine Funkenstrecke angeschlossenen Piezoeleinent und einem auf das Piezoelement einwirkenden Schlagorgan, das über einen Kraftspeicher mit einem Betätigungsorgan gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das. Piezoelement (13, 25* 4-5) zwischen dem Schlagorgan (12, 29, 43) und einem -federnd gelagertem Amboß (16, 21, 48) angeordnet ist, welcher beim Aufsehlag des Sehlagorganes (12, 29, 44) auf das Piezoelement (Γ5, 25, 45) durch. den sich im Piezoelement (IJ, 25, 45) fortpflanzenden Druekimpuls zurückfedert und mit zeitlichem Abstand einen weiteren Druckimpuls auf das Piezoelement (15* 25, 45) ausübt.

2. Zündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schlagorgan (12, 29, 43), Amboß (l6, 21, 48) sowie Schlag- (11, 31, 42) und Amboßfeder (I7, 22, 51) so aufeinander abgestimmt sind, daß der zeitliche Abstand der bei Betätigung der Vorrichtung im Piezoelement (I3, 25/45) erzeugten zwei Druckimpulse 0,1 bis 1 ms beträgt.

3. Zündvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des Schiagorganes (12, 29, 43) und des Ambosses

(16, 21, 48) etwa gleich groß ist.
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4. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3\, dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Teil des Gehäuses (20) ein zylindrischer Amboß (21) mittels einer Arnbößfeder (22) am Geliäuseböden (2.0a) abgestützt ist.

;5. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlagorgan (43) aus einem metallischen

" ■ Schlagbolzen (44) und einem in einer Isolierstoffhülse (46) eingesetzten, am Schlagbolzen (44) befestigten Piezoelement (45) gebildet ist. _;

6. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amboßfeder 'IgL) zugleich als Rückholfeder für eine Drucktaste (52) dient, die koaxial über dew Im Ansatz (40a) des Gehäuses (40) axial beweglichen Amboß (48)

angeordnet ist und gegen die sich die Amboßfeder (51) abstützt.

7. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucktaste (52) an mindestens zwei sich gegenüberliegenden Seiten mit einer Zunge (53) versehen ist, die mit einer am unteren Ende nach innen geriehteten Nase (54) durch einen Schlitz (55) in das Gehäuse (40) hineinragt und an der ein Bund (46a) der Isoliers.toffhülse (46) von unten her anliegt.

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B. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucktaste mit einer Einrichtung zum Öffnen eines Gasventils versehen ist.

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