[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkammerheizung mit einem einen Flächenheizer bildenden
elektrischen Heizelement, durch das im Betrieb eine an die Brennkammer grenzende Heizfläche
beheizbar ist, und mit einer Zündzone, die im Betrieb auf eine über der Temperatur
der Heizfläche liegende Zündtemperatur aufheizbar ist.
[0002] Eine derartige Brennkammerheizung wird beispielsweise in Diesel betriebene Standheizungen
für Kraftfahrzeuge eingebaut, wo sie zum Starten des Brennvorgangs benötigt werden.
Die Brennkammerheizung heizt die Brennkammer so auf, dass ohne weitere Energiezufuhr
von außen der Brennvorgang allein aufgrund der Selbstzündung des Diesels selbstständig
und stabil aufrecht erhalten werden kann. Hierzu muss in der Brennkammer an wenigstens
einer Stelle die Selbstzündungstemperatur des Brennstoffs erreicht werden.
[0003] Üblicherweise wird zum Aufheizen der Brennkammer eine in der Brennkammer angeordnete
Glühkerze gezündet, welche den Innenraum der Brennkammer heizt und in der Zündzone
zu einem lokalen Überschreiten der Zündtemperatur führt. An einer Wand der Brennkammer
ist zudem ein Vlies angeordnet, an dessen großer Oberfläche der Brennstoff leichter
verdampfen kann.
[0004] Bei dieser Ausgestaltung der Brennkammerheizung dauert es üblicherweise mehrere Minuten,
bis eine Verbrennung in der Brennkammer selbständig aufrecht erhalten werden kann.
Diese Zeitspanne steigt mit sinkenden Außentemperaturen nochmals an.
[0005] Folglich dauert es bei den herkömmlichen Brennkammerheizungen mit Glühkerze sehr
lange, bis der Standheizer seine volle Heizwirkung entfalten kann.
[0006] Um die Zeit bis zur stabilen Selbstzündung zu verkürzen, hat man im Stand der Technik
begonnen, eine zusätzliche Flächenheizung an einer als Heizfläche ausgebildeten Umwandung
der Brennkammer einzusetzen, die zu einem schnellen Verdampfen des Brennstoffs und
zu einem früheren Einsetzen der Selbstzündung führt. Tatsächlich kann durch eine als
Heizfläche ausgestaltete Brennkammerwand, die beispielsweise mittels einer elektrischen
Rohr- oder Mantelheizung beheizt wird, die Zeitspanne bis zur stabilen Verbrennung
auf unter eine Minute gedrückt werden.
[0007] Diese Zeitspanne kann jedoch für höchste Komfortansprüche an Standheizungen noch
immer zu lange sein. Zudem sind diese Brennkammerheizungen noch sehr aufwändig gebaut
und weisen einen erhöhten Montage- und Wartungsaufwand auf.
[0008] Eine bekannte Brennkammerheizung ist beispielsweise in der DE-B-102 51 438 beschrieben,
die eine Heizwendelanordnung mit einem Zündbereich und einem Heizbereich aufweist.
In der DE-A-100 05 376 ist ein Verbrennungsheizer beschrieben, der einen Verdampfer
zum Verdampfen des Brennstoffs und eine Zündeinrichtung zum Zünden des verdampften
Brennstoffs aufweist.
[0009] Ein weiterer Brennheizer ist in der US-A-5,722,588 beschrieben, der einen Brenner
mit einem Brennrohr umfasst, wobei das Brennrohr an einem axialen Ende mit einer Verdampferplatte
aus Keramikfaser versehen ist. Weiterhin ist in der DE-A-37 22 093 ein Brenner mit
einer Heizkerze beschrieben, die einen in einer Zerstäubungskammer liegenden Heizteil
und einen in einer Verbrennungskammer liegenden Zündteil aufweist.
[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Brennkammerheizungen
so zu verbessern, dass bei einem einfach zu montierenden und zu wartenden Aufbau eine
schneller einsetzende Selbstzündung in der Brennkammer möglich ist.
[0011] Diese Aufgabe wird für die eingangs genannte Brennkammerheizung erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass die Zündzone vom Heizelement beheizt ist und dass das Heizelement eine
im Wesentlichen der Temperaturverteilung von Heizfläche und Zündzone entsprechende
örtliche Verteilung der Heizleistung aufweist.
[0012] Diese Lösung ist einfach und erlaubt es, auf die üblicherweise verwendete Glühkerze
zu verzichten, so dass Fertigung und Montage der Brennkammerheizung vereinfacht werden.
Erfindungsgemäß wird die Funktion der Glühkerze von der vom Heizelement beheizten
Zündzone wahrgenommen, wobei die Heizleistung in der Zündzone entsprechend angepasst
ist. Überraschenderweise scheint die erfindungsgemäße Lösung mit Heizfläche und Zündzone
auch die Zeitspanne zu verkürzen, innerhalb der eine stabile Selbstzündung in der
Brennkammer erreicht wird.
[0013] Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennkammerheizung kann durch die nachfolgend
beschriebenen, jeweils voneinander unabhängig vorteilhaften Ausgestaltungen weiter
entwickelt werden. Dabei sind die verschiedenen Ausgestaltungen beliebig miteinander
kombinierbar.
[0014] So kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung in das Heizelement ein der Zündzone
zugeordneter Zündheizer mit erhöhter Heizleistung einstückig integriert sein, um den
Flächenheizer und den Zündheizer in einem Schritt fertigen zu können.
[0015] Ferner können der Flächenheizer und/oder der Zündheizer aus einem im Wesentlichen
mäanderförmig verlaufenden Heizleiter gefertigt sein. Der Begriff "mäanderförmig"
soll dabei auch spiralförmige, schlaufenförmige, wendelförmige und anders geformte
Heizleiter-Wicklungen umfassen, welche eine Heizfläche zum Zwecke ihrer Beheizung
auf gebogenen Bahnen durchlaufen. Vorzugsweise liegt der Heizleiter in einer im Wesentlichen
planen Ebene bzw. verläuft der Flächenheizer im Wesentlichen parallel zur Heizfläche.
Insbesondere kann der Heizleiter aus einem bandförmigen Material mit einem rechteckigen
oder Rechteck ähnlichen Querschnitt gefertigt sein, wobei die größere Fläche dieses
Querschnittes zur Brennkammer hin als Wärmeabgabefläche dient, um einen guten Wärmegang
zur Brennkammer hin zu ermöglichen. Der Heizleiter kann aus einer Platine gestanzt
oder aus gebogenem Leitermaterial gefertigt sein. Diese Ausgestaltungen stellen jeweils
für sich eine hohe und gleichmäßige Heizleistung sicher. Des Weiteren können der Flächenheizer
und/oder der Zündheizer wenigstens ein PTC-Element und/oder eine Dickschichtheizung
umfassen.
[0016] Eine einfache Fertigung kann erreicht werden, wenn sich der Heizleiter einstückig
durch den Flächenheizer und den Zündheizer erstreckt, also beide aus demselben Heizleiter
bestehen. Um die Heizleistung des Zündheizers entsprechend zu erhöhen, kann der Abstand
der Heizleiter-Wicklungen im Zündheizer verringert sein und/oder der Heizleiter im
Zündheizer einen höheren Widerstand aufweisen.
[0017] Der Zündheizer und der Flächenheizer können elektrisch in Reihe geschaltet sein,
was ebenfalls einen geringeren fertigungstechnischen Aufwand darstellt.
[0018] Insbesondere, wenn der erfindungsgemäße Brennkammerheizer in Standheizungen für Kraftfahrzeuge
verwendet wird, ist die dem elektrischen Heizelement zuführbare elektrische Energie
meist durch die Leistung der Autobatterie begrenzt. Hinzu kommt, dass gerade in der
kalten Jahreszeit, wenn die Standheizung zum Einsatz kommen soll, die Leistung der
Autobatterie eingeschränkt ist und zum Starten des Kraftfahrzeugs benötigt wird. Um
den Energieverbrauch der Standheizung im Rahmen zu halten, ist es daher gemäß einer
weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass der Anteil der mit einer höheren Energiedichte
beheizten Zündzone an der Brennkammerumwandung kleiner ist als der Anteil der Heizfläche.
Insbesondere kann der Anteil der von der Zündzone eingenommenen Fläche zur Brennkammer
hin weniger als
40 %, vorzugsweise zwischen 25 % und 35 %, der Heizfläche betragen. Bei diesem Verhältnis
kann bei einem verhältnismäßig geringen Verbrauch von elektrischer Energie die Heizleistung
in der Zündzone ausreichend gebündelt werden, um ausreichend hohe Zündtemperaturen
zu erhalten. Gleichzeitig bleibt die Temperatur der Flächenheizung bei einem vertretbaren
Energieverbrauch ausreichend hoch, um die Brennkammer und die Brennkammerwand auf
die Betriebstemperatur zu heizen. Die Leistung des Flächenheizers kann zwischen 50
W und 150 W liegen, die des Zündheizers zwischen 40 W und 80 W. Die Heizleistungen
können mittels einer Steuereinheit über eine Pulsweitenmodulation geregelt werden.
[0019] Angesichts der in der Brennkammer herrschenden hohen Temperaturen ist die Heizfläche
vorteilhafterweise aus einem hitzestabilen Werkstoff, insbesondere einem Keramikwerkstoff
gefertigt.
[0020] Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann sich die Heizleistung des Flächenheizers
im Wesentlichen gleichmäßiger in der Heizfläche verteilen, wenn der Werkstoff der
Heizfläche gut wärmeleitend ist. Diese Ausgestaltung führt gleichzeitig zu einer verlustärmeren
Wärmeabgabe vom Heizelement in die Brennkammer und zu einem höheren Wirkungsgrad der
Brennkammerheizung. Insbesondere kann für die Heizfläche ein Keramikwerkstoff mit
einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 15 W/(m K), vorzugsweise von wenigstens 40
W/(m K), verwendet werden. Als Keramikwerkstoff können gesintertes Siliziumnitrid
oder drucklos gesintertes Siliziumkarbid verwendet werden, wobei beim Sintern auf
eine hohe Dichte geachtet werden sollte.
[0021] Um in der Startphase einen möglichst stabilen Brennvorgang zu erreichen, kann die
Zündzone als ein aus der Brennkammerumwandung in die Brennkammer ragender Vorsprung
ausgestaltet sein. Diese Ausgestaltung hat ferner den Vorteil, dass die Flamme stärker
in das Innere der Brennkammer verschoben wird. Um den Vorsprung herum kann dabei eine
Vliesschicht angeordnet sein, durch die der Vorsprung bis in die Brennkammer ragt.
Die Vliesschicht erleichtert aufgrund ihrer großen Oberfläche das Verdampfen des Brennstoffs.
[0022] Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Vorsprung von der Heizfläche
umgeben sein, also aus der Heizfläche in die Brennkammer ragen. Bei dieser Maßnahme
ist der sich entzündende Brennstoff im Bereich der Zündzone von bereits vorgeheiztem
Brennstoff aus dem Bereich der Heizfläche umgeben, was den Brennvorgang in der Startphase
ebenfalls stabilisiert. Die Verdampfung des Brennstoffs kann in der Startphase ferner
dadurch verbessert werden, dass die Vliesschicht auf der Heizfläche aufliegt und so
mitbeheizt wird.
[0023] Bei der Ausgestaltung als Vorsprung kann der die Zündzone bildende Keramikkörper
einen an der von der Brennkammer abgewandten Seite eine Tasche bildet, in der zumindest
ein Abschnitt des Zündheizers aufgenommen ist. Durch diese Ausgestaltung kann die
Heizleistung des Zündheizers besonders einfach im Bereich der Zündzone konzentriert
werden.
[0024] Um die Anzahl der verwendeten Teile und damit die Fertigungskosten und die Anfälligkeit
der erfindungsgemäßen Brennkammerheizung zu verringern, kann die Zündzone mit der
Heizfläche einstückig im Körper ausgeformt sein, beispielsweise durch Sintern, Vergießen
oder einen anderen Urformprozess.
[0025] In einer weiteren Ausgestaltung kann an der von der Brennkammer und der Heizfläche
abgewandten Seite der Brennkammerheizung ein Tragkörper vorgesehen sein, so dass das
Heizelement zwischen dem Tragkörper und der Heizfläche angeordnet ist. Der Tragkörper
isoliert den Brennkammerheizer nach außen hin und sichert das Heizelement. Hierzu
ist es von Vorteil, wenn der Tragkörper in einer Weiterbildung aus einem wenigstens
keramikhaltigen, wärmeisolierenden Werkstoff, vorzugsweise einer Vollkeramik, besteht.
Ein solcher Werkstoff kombiniert eine gute Hitzebeständigkeit mit einer Temperaturisolierung,
so dass ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann, da die Wärme zur Heizfläche
hin geleitet wird. Der Tragkörper kann gesintert oder gegossen vorgeformt sein oder
an der bezüglich der Brennkammer abgewandten Seite der Heizfläche vergossen sein.
In letzterem Fall kann das Heizelement in den Tragkörper eingegossen sein.
[0026] In einer weiteren Ausgestaltung kann der Tragkörper einen in den Vorsprung der Zündzone
ragenden Haltervorsprung bilden, der vom Heizelement umschlungen ist. Der Haltervorsprung
des Tragkörpers bildet einen Halter für den Zündheizer, an den dieser einfach zu befestigen
ist. Durch Einschieben des Haltervorsprungs in den Vorsprung der Zündzone von der
von der Brennkammer abgewandten Seite her lässt sich auf einfache zu montierende Weise
ein guter Wärmeübergang erzielen.
[0027] Die Heizfläche mit der Zündzone kann in einer weiteren Ausgestaltung zusammen mit
dem Heizelement und dem Tragkörper zu einem einstückig handhabbaren und in die Brennkammerheizung
zu montierenden Heizmodul vormontiert sein. Dies ermöglicht eine einfache Montage
des Brennkammerheizers, der zudem bei dieser Ausgestaltung an beliebigen Orten vormontiert
und zur Montage problemlos verschifft werden kann.
[0028] Um den Brennstoff bereits beim Einleiten in die Brennkammer zu erhitzen, kann erfindungsgemäß
der die Heizfläche bildende Körper eine Zuleitung aufweisen, durch welche der Brennstoff
während des Betriebs in die Brennkammer einleitbar ist. Die Beheizung des einströmenden
Brennstoffs kann in vorteilhafter Weise nochmals dadurch erhöht werden, dass der Flächenheizer
im Bereich unmittelbar um die Zuleitung an dem die Heizfläche bildenden Körper anliegt,
so dass die Wärmeübertragung direkt über kurze Wege auf den in die Brennkammer einströmenden
Brennstoff erfolgen kann.
[0029] Die Zuleitung kann insbesondere mäanderförmig ausgestaltet sein, so dass ein möglichst
langer Strömungspfad entsteht, entlang dem der Brennstoff vom Heizelement beheizt
ist. Insbesondere bei dieser Ausgestaltung kann eine Seite des Strömungspfades direkt
an das Heizelement grenzen. Der Strömungspfad kann sich in einer Ebene erstrecken,
vorzugsweise parallel zur Heizfläche, so dass das Heizelement als einfache Platte
oder Scheibe ausgestaltet sein kann. Über die Wandung des Strömungspfades kann gleichzeitig
die Heizfläche beheizt werden.
[0030] Schließlich kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Zündzone benachbart zur
Einlassleitung angeordnet sein, so dass sich der Brennstoff beim Einströmen entzündet
und brennend in das Innere der Brennkammer weiterströmt.
[0031] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf Zeichnungen
beispielhaft erläutert. In den Zeichnungen werden für Elemente, die bei den verschiedenen
Ausführungsformen die gleiche Funktion erfüllen oder den gleichen Aufbau aufweisen,
dieselben Bezugszeichen verwendet. Die bei den einzelnen Ausführungsformen unterschiedlichen
Merkmale können, wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, beliebig miteinander
kombiniert werden.
[0032] Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform einer Standheizung;
- Fig. 2
- eine erfindungsgemäße, als Baueinheit ausgestaltete Brennkammerheizung in einer zweien
Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgestalteten Brennkammerheizung in einer schematischen
Perspektivansicht;
- Fig. 3
- einen Teil der Brennkammerheizung der Fig. 2 in einer schematischen Perspektivansicht;
- Fig. 4
- eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgestalteten Heizelements in einer
schematischen Perspektivansicht;
- Fig. 5
- die Brennkammerheizung der Fig. 4 vor der Fertigstellung in einer schematischen Perspektivansicht;
- Fig. 6
- eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkammerheizung nur mit einer
Flächenheizung;
- Fig. 7
- einen Querschnitt entlang der Linse XII - VII der Fig. 6.
[0033] Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkammer 1 in einem Wärmetauscher 2, wie er in einer
Vielzahl von Geräten, wie beispielsweise einer Standheizung 3 für ein Kraftfahrzeug,
verwendet wird. In dem Wärmetauscher 2 wird ein Heizfluid 4, das den Wärmetauscher
2 in einem Strömungskanal 5 benachbart zur Brennkammer 1 durchströmt, erhitzt und
zur Beheizung beispielsweise einer Fahrgastkabine des Kraftfahrzeugs als aufgewärmtes
Heizfluid 6 abgeleitet. Über eine Pumpe 7 kann ein Heizfluidkreislauf aufrecht erhalten
werden. Die Temperatur des Heizfluids 6 kann über einen Temperatursensor 8, der beispielsweise
die Fluidtemperatur im Strömungskanal 5 erfasst, überwacht werden.
[0034] Die Heizenergie zur Erwärmung des Heizfluids wird von einer Flamme 9 in der Brennkammer
1 erzeugt, in der ein gemäß dem Pfeil 10 zugeleiteter Brennstoff, beispielsweise Diesel,
verbrannt wird. Über eine Dosiereinheit 11 wird die pro Zeiteinheit verbrannte Menge
von Brennstoff in Abhängigkeit von der vom Temperatursensor 8 erfassten Temperatur
des Heizfluids gesteuert.
[0035] Der Brennstoff wird vor dem Eintritt in die Brennkammer 1 in eine Mischkammer 13
eingeleitet, vorzugsweise versprüht, wie durch den Pfeil 12 angedeutet ist. Der Mischkammer
13 wird ferner ein Verbrennungsgas 14, wie Umgebungsluft, zugeführt, wie durch den
Pfeil 15 angedeutet ist. Die Umgebungsluft 14 wird dabei durch eine Fördereinrichtung
16, beispielsweise einen Ventilator, angesaugt.
[0036] In der Mischkammer 13 vermischen sich das Verbrennungsgas 14 und der Brennstoff 12
und treten durch eine Zuleitung 17 in die Brennkammer 1 ein. Die Zuleitung 17 befindet
sich in einer Trennwand 18, welche die Brennkammer 1 von der Mischkammer 13 trennt.
Nach dem Eintreten in die Brennkammer 1 verbrennt das Gas-Brennstoff-Gemisch in der
Flamme 9. Im Betrieb herrscht in der Brennkammer 1 eine Temperatur, die oberhalb der
Selbstzündungstemperatur des Brennstoffs liegt, so dass sich dieser beim Durchtritt
durch die Zuleitung 17 selbst entzündet. Auf diese Weise wird der Heizvorgang selbsttätig
aufrecht erhalten, so lange Brennstoff 10 und Verbrennungsgas 14 zugeführt werden.
[0037] Die Abgase aus dem Brennvorgang strömen, wie durch die Pfeile 19 angedeutet ist,
aus der Brennkammer 1 aus, treten in eine Abgasleitung 20 und werden beispielsweise
mittels einer Abgasreinigungsanlage (nicht gezeigt) gereinigt.
[0038] Beim Starten des Brenners 2 muss dieser zunächst auf Betriebstemperatur aufgeheizt
werden, so dass sich die Flamme 9 durch Selbstentzündung aufrecht erhält. Zum Aufheizen
des Brenners 2 ist die Trennwand 18 als eine Brennkammerheizung ausgestaltet. Die
Brennkammerheizung 18 bildet an ihrer der Brennkammer 1 zugewandten Fläche 21 eine
Heizfläche aus, die das Brennstoff-Gas-Gemisch in der Brennkammer 1 beheizt. Gleichzeitig
wird das durch die Zuleitung 17 in der Brennkammerheizung 18 strömende Brennstoff-Gas-Gemisch
erwärmt. Die Brennkammerheizung 18 wird über elektrische Leitungen 23 mit Energie
von beispielsweise der Autobatterie versorgt und automatisch abgeschaltet, sobald
sich in der Brennkammer 1 eine stabile Verbrennung einstellt. Die stabile Verbrennung
kann beispielsweise über einen in Fig. 1 nicht dargestellten Flammensensor festgestellt
werden.
[0039] Neben der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind natürlich auch andere Ausgestaltungen
von Brennern 2 möglich, beispielsweise solche, die keine Mischkammer 13 aufweisen,
sondern lediglich eine Leitung, durch die ein Brennstoff-Gas-Gemisch direkt in die
Brennkammer 1 geleitet wird. In diesem Fall kann die Brennstoffheizung 18 auch in
die Umwandung 22 der Brennkammer 1 integriert sein und beispielsweise eine Boden-oder
Stirnfläche bilden. Auch bei dieser Ausgestaltung ist es jedoch von Vorteil, wenn
das Brennstoff-Gas-Gemisch durch die Zuleitung 17 in der Brennkammerheizung 18 in
die Brennkammer 1 strömt, da auf diese Weise der Brennstoff bereits beim Einströmen
aufgeheizt werden kann.
[0040] Der Aufbau der Brennkammerheizung 18 wird nun anhand einer Ausführungsform mit Bezug
auf die Figuren 2 bis 4 genauer erläutert.
[0041] Fig. 2 zeigt die als eine Baueinheit ausgestaltete Brennkammerheizung 18 im ausgebauten
Zustand in einer schematischen perspektivischen Ansicht. Die Brennkammerheizung 18
ist, wie in Fig. 1 zu erkennen ist, im Betrieb in die Brennkammer 1 eingesetzt, wobei
die Heizfläche 21 der Brennkammer zugewandt ist. Die Brennkammerheizung 18 ist von
der Zuleitung 17 in axialer Richtung durchdrungen.
[0042] Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, ist die von der Brennkammerheizung 18 gebildete Baueinheit
im Wesentlichen scheibenförmig, was den stirnseitigen Einbau in eine hohlzylindrische
Brennkammer erleichtert.
[0043] Die Heizfläche 21 wird von einem Keramikkörper 24 gebildet, der aus einem gut leitenden
Keramikwerkstoff geformt ist und sich bis zur Mündung der Öffnung 17 erstreckt. Anstelle
des Keramikkörpers 24 kann auch ein Körper aus einem anderen Werkstoff verwendet werden.
Die Wärmeleitfähigkeit des Keramikkörpers 24 beträgt wenigstens 15 W/(m K), vorzugsweise
wenigstens 40 W/(m K). Der Keramikkörper 24 ist dicht gesintert und weist eine Dichte
von wenigstens 3 kg/dm
3 auf. Bevorzugt ist der Keramikkörper 24 aus einem gesinterten Siliziumnitrid oder
aus einem drucklos gesinterten Siliziumcarbid gefertigt. Die Heizfläche 21 ist weitgehend
eben bzw. plan.
[0044] In einem Bereich nahe der Zuleitung 17, insbesondere näher an der Zuleitung als an
dem äußeren Rand 25 des Keramikkörpers 24 ist am Keramikkörper 24 ein von der Heizfläche
21 in die Brennkammer 1 (vgl. Fig. 1) ragender Vorsprung 26 ausgeformt. Wie in Fig.
2 dargestellt ist, kann der Vorsprung 26 im Wesentlichen zylindrische Gestalt haben.
Die Höhe, mit der der Vorsprung 26 in die Brennkammer ragt, entspricht in etwa seinem
Durchmesser, kann jedoch auch etwas größer als der Durchmesser sein.
[0045] An der der Brennkammer 1 abgewandten Seite ist an dem Keramikkörper 24 ein Tragkörper
27 angebracht. Der Tragkörper 27 ist aus einem schlecht wärmeleitenden Werkstoff,
wie beispielsweise einer Keramik mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 10 W/(m
K) gefertigt, beispielsweise gesintert oder gegossen. Der Tragkörper 27 dient zum
einen der Wärmeisolation, so dass die Wärme aus der Brennkammer 1 nicht abfließen
kann. Zum anderen dient der Tragkörper als Substrat für ein elektrisches Heizelement,
von dem in Fig. 2 lediglich ein Paar 28 von elektrischen Anschlüssen zu sehen ist,
welche elektrisch leitend mit der Energieversorgungsleitung 23 verbunden werden können.
[0046] Die elektrischen Anschlüsse 28 sind mit einem elektrischen Heizelement 29 elektrisch
leitend verbunden, vorzugsweise einstückig direkt am elektrischen Heizelement 29 angeformt.
Der Aufbau des elektrischen Heizelements 29 wird mit Bezug auf die Fig. 3 beschrieben.
[0047] Das Heizelement 29 weist eine örtlich variierende Heizleistung auf, wobei die Verteilung
der Heizleistung der Temperaturverteilung der Brennkammerheizung entspricht: So bildet
ein erster, flächenmäßig größerer Bereich niedrigerer Heizleistung bildet einen Flächenheizer
30; ein zweiter, flächenmäßig kleinerer Bereich 31 höherer Heizleistung bildet einen
Zündheizer.
[0048] Der Flächenheizer 30 ist aus einem im Wesentlichen ebenen Mäander aus im Wesentlichen
bandförmigen Heizleitermaterial gefertigt und erstreckt sich zwischen dem Keramikkörper
24 und dem Körper 27 in möglichst großer Überlappung mit der Heizfläche 21. Das Heizleitermaterial,
aus denen die Mäander, Bögen, Wendeln oder Spiralkurven des Heizleiters gefertigt
sind, kann gestanzt oder durch plastische Verformung gebogen sein, wobei der Stanzprozess
aufgrund der günstigeren Herstellungskosten bevorzugt ist.
[0049] Der Flächenheizer 30 liegt flächig am Keramikkörper 24 an dessen von der Brennkammer
1 abgewandten Seite an und liegt in einer parallel zur Heizfläche 21 verlaufenden
Ebene. Um den Mündungsbereich der Zuleitung 17 erstrecken sich Abschnitte 32 des Flächenheizers
30.
[0050] Der Zündheizer 31 ist so um einen Vorsprung 33 des Tragkörpers 27 gewickelt, dass
dieser von den Mäandern des Heizleiters umschlungen ist. Der Vorsprung 33 erstreckt
sich vom Tragkörper 27 säulen- bzw. zapfenförmig in Richtung der Brennkammer 1 (vgl.
Fig. 1) und ist mitsamt dem darum gelegten Zündheizer 31 in eine vom Vorsprung 26
an der von der Brennkammer 1 abgewandten Seite gebildete schacht- bzw. taschenförmige
Aufnahme einsetzbar. Auf diese Weise wird der Vorsprung 26 von innen vom Zündheizer
31 beheizt.
[0051] Da der Zündheizer 31 eine höhere Heizleistung aufweist als der Flächenheizer 30,
ist im Betrieb seine Temperatur größer als die Temperatur des Flächenheizers 30. Entsprechend
ist im Betrieb die Temperatur der dem Zündheizer 31 zugeordneten Zündzone 26 höher
als die Temperatur der dem Flächenheizer 30 zugeordneten Heizfläche.
[0052] Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, sind der Flächenheizer 30 und der Zündheizer 31 in
Reihe geschaltet, wobei sich der Heizleiter als ein durchgängiger Körper vom Flächenheizer
30 in den Zündheizer 31 fortsetzt. Wie der Fig. 3 ferner zu entnehmen ist, kann der
Flächenheizer 30 in zwei in Reihe geschaltete Abschnitte 34, 35 unterteilt sein, zwischen
denen der Zündheizer 31 ebenfalls in Reihe angeordnet ist.
[0053] Um den Keramikkörper 24 auf dem Tragkörper 27 sicher zu zentrieren und halten, kann
dieser an seinem äußeren Rand 25 einen umlaufenden Absatz 36 aufweisen, in den ein
entsprechender Vorsprung (nicht gezeigt) des Keramikkörpers 24 greift. Ebenso kann
der Tragkörper 27 im Bereich der Zuleitung 17 eine Vertiefung 37 aufweisen, in die
sich im montierten Zustand der Keramikkörper 24 erstreckt, so dass der Mündungsbereich
der Zuleitung 17 beheizt wird.
[0054] Im Folgenden wird die Funktion des Heizelements 18 erläutert.
[0055] Um während der Startphase des Brenners 2 (vgl. Fig. 1) den Brennstoff in der Brennkammer
1 zu verdampfen und zu entzünden, weist die Brennkammerheizung 18 zwei unterschiedliche
Temperaturniveaus auf.
[0056] Das niedrigere Temperaturniveau wird von der Heizfläche 21 gebildet, auf der ein
Vlies 38, wie in Fig. 2 durch strichpunktierte Linien angedeutet ist, angeordnet sein
kann. Die Heizfläche 21 beheizt das Vlies 38, das wiederum aufgrund seiner großen
Oberfläche das Verdampfen des Brennstoffs beschleunigt.
[0057] Das höhere Temperaturniveau befindet sich in der Zündzone 26, die auf eine Temperatur
oberhalb der Zündtemperatur des Brennstoffs aufgeheizt wird. Dadurch bildet sich an
der Zündzone 26 während des Startvorgangs eine Flamme. Die Zündzone 26 erstreckt sich
durch das Vlies 38 bis in den Innenraum der Brennkammer 1 und ist vorzugsweise nicht
vom Vlies 38 bedeckt, so dass die Lage der Flamme während des Startvorgangs an dem
in die Brennkammer 1 ragenden Bereich der Zündzone stabil bleibt. Aus diesem Grund
ist die Zündzone 26 am Vorsprung des Keramikkörpers 24 ausgebildet, der sich durch
das Vlies 38 bis zur Brennkammer 1 erstreckt.
[0058] Die Heizleistung des Heizelements 28 variiert örtlich im Wesentlichen entsprechend
der Temperaturverteilung in der Heizfläche 21 und der Zündzone 26. Der Zündzone 26
mit dem hohen Temperaturniveau ist der Zündheizer mit der hohen Heizleistung zugeordnet;
der Heizfläche 21 mit dem niedrigen Temperaturniveau ist der Flächenheizer 30 mit
der niedrigeren Heizleistung zugeordnet. Am Zündheizer kann die Heizleistung pro Flächeneinheit
beispielsweise durch eine Verringerung des Abstands der Heizleiterbögen voneinander
oder durch eine Erhöhung des Heizleiterwiderstands gegenüber dem Flächenheizer erhöht
werden. Die Heizleistung des Flächenheizers kann etwa dem Doppelten der Heizleistung
des Zündheizers entsprechen.
[0059] Die Figuren 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung
18. Der Einfachheit halber wird im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zur Ausführungsform
der Figuren 2 und 3 eingegangen.
[0060] Im Unterschied zu der vorangegangenen Ausführungsform ist bei der Ausführungsform
der Figuren 4 und 5 die Heizplatine 30 in den Keramikkörper 24 eingelegt, wie in Fig.
5 gezeigt ist. Hierzu bildet der Keramikkörper 24 eine schalenförmige Aufnahme. Die
Anschlüsse 28 ragen über den Rand 39 des Keramikkörpers 24 nach außen. Ein Vorsprung
40 umgibt die Zuleitung 17 vollständig, wobei die Höhe des Vorsprungs 40 in etwa der
Höhe des Rands 39 entspricht.
[0061] Der Heizleiter 30 ist im Keramikkörper 24 in einer temperaturbeständigen Gussmasse
41 vergossen. Ein separater Tragkörper 27 ist nicht mehr notwendig. Die Gussmasse
41 wird bei der Herstellung einfach in den zwischen dem Vorsprung 40 und dem Rand
39 gebildeten Ringraum gefüllt.
[0062] Auch bei dieser Ausführungsform bildet die Brennkammerheizung 18 eine einstückig
handhabbare Baueinheit.
[0063] Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht von der der Brennkammer 1 (vgl. Fig. 1)
abgewandten Seite auf eine weitere Ausführungsform einer Brennkammerheizung 18. Fig.
7 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie VII-VII der Fig. 6. Die Ausführungsform
der Fig. 6 und 7 ist für sich betrachtet, unabhängig von den oben beschrieben Ausführungen
vorteilhaft. Der Übersichtlichkeit halber wird im Folgenden lediglich auf die Unterschiede
zu den obigen Ausführungsformen eingegangen.
[0064] Bei der Ausführungsform der Fig. 6 und 7 ist die Zuleitung 17 für den Brennstoff
bzw. das Brennstoff-Gas-Gemisch in einem spiralförmig von außen nach innen verlaufenden
Kanal in den Körper 24 eingearbeitet. Die Windungen der Zuleitung 17 befinden sich
an der von der Heizfläche 21 abgewandten Seite des Körpers 24 und liegen vorzugsweise
in einer Ebene parallel zu der Heizfläche 21. Ein radial verlaufender Kanal 42 verbindet
die in radialer Richtung äußerste Windung der Heizleitung 17 mit einem Fluidstecker
43 am Außenumfang des Körpers 24. Über den Fluidstecker 43 kann die Zuleitung 17 an
eine Brennstoffquelle angeschlossen werden. Der Strömungsquerschnitt der Zuleitung
17 im Körper 24 beträgt höchstens 1 oder 2 mm
2, die Breite in radialer Richtung weniger als 1 mm.
[0065] In radialer Richtung innen mündet die Spirale 17 in etwa in der Mitte der Heizfläche
21, wie insbesondere aus der Fig. 7 hervorgeht. Von dort setzt sich die Zuleitung
17 in einem Kanülen- oder Rohrabschnitt fort, der sich axial in die Brennkammer 1
erstreckt. Wie ferner in Fig. 7 zu erkennen ist, ist die spiralförmige Zuleitung 17
an der von der Brennkammer 1 abgewandten Seite von einem Heizelement 29 begrenzt,
das direkt den Brennstoff in den Kanälen und über die zwischen den Kanälen angeordneten
Stege die Heizfläche 21 beheizt. Das Heizelement 29 kann eine in einer Platte eingearbeitete
Rohrheizung oder ein scheibenförmiges PTC-Element oder eine Dickschichtheizung sein.
[0066] Ein Tragkörper 27 oder eine vergossene Schicht 41 isoliert das Heizelement 29 zu
der von der Brennkammer 1 abgewandten Seite hin. In Fig. 6 sind das Heizelement 29
sowie der Tragkörper 27 bzw. die Gussschicht 41 der Übersichtlichkeit halber weggelassen,
um den Blick auf die Ausgestaltung der Zuleitung 17 freizugeben.
[0067] Um die rohr- bzw. kanülenförmige, sich in axialer Richtung A erstreckende Zuleitung
17 herum ist auf die Heizfläche 21 eine Vliesschicht 38 gelegt. Das Heizelement 29
heizt gleichzeitig die Heizfläche 21 und das an der Heizfläche 21 aufliegende Vlies
38 an, so dass der im Vlies 38 sich befindliche Brennstoff ebenfalls verdampft.
[0068] Bei der Brennkammerheizung der Fig. 6 und 7 tritt ein Brennstoff-Gas-Gemisch über
ein Leitungsstück 44 des Fluidsteckers 43 in die Brennkammerheizung 18 ein, wie durch
den Pfeil 45 angedeutet ist. Über den Kanal 42 tritt das Brennstoff-Gas-Gemisch außen
in die Zuleitung 17 ein und strömt entlang der Spirale nach innen. Während der Durchströmung
der Brennkammerheizung 18 wird der Brennstoff bzw. das Brennstoff-Gas-Gemisch durch
das Heizelement 29 aufgeheizt, so dass der Brennstoff in den dampfförmigen Zustand
übergeht. Über den rohrförmigen Endabschnitt der Zuleitung 17 tritt der Brennstoff
bzw. das Brennstoff-Gas-Gemisch im Dampfzustand in die Brennkammer 1 ein und verbrennt.
[0069] Um das Brennstoff-Gemisch in der Brennkammer 1 leichter zünden zu können, kann, wie
bei den vorangegangenen Ausführungsformen eine Zündzone in der Brennkammerheizung
18 integriert sein. Alternativ kann die Zündzone allerdings auch an einer anderen
Stelle vorgesehen sein. Ferner kann anstelle einer spiralförmigen Ausgestaltung der
Zuleitung 17 auch eine andere Ausgestaltung, beispielsweise in Form der Heizleitung
der Fig. 3., verwendet werden.
1. Brennkammerheizung (18) für eine Brennkammer (1) mit einem einen Flächenheizer (30)
bildenden elektrischen Heizelement (28), durch das im Betrieb eine an die Brennkammer
(1) grenzende Heizfläche (21) beheizbar ist, und mit einer Züridzone (26), die im
Betrieb auf eine über der Temperatur der Heizfläche (21) liegende Zündtemperatur aufheizbar
ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündzone (26) vom Heizelement beheizt ist und dass das Heizelement (28) eine
im Wesentlichen der Temperaturverteilung von Heizfläche (21) und Zündzone (26) entsprechende
örtliche Verteilung der Heizleistung aufweist.
2. Brennkammerheizung (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in das Heizelement (28) ein der Zündzone (26) zugeordneter Zündheizer (31) mit gegenüber
dem Flächenheizer erhöhter Heizleistung pro Flächeneinheit integriert ist.
3. Brennkammerheizung (18) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenheizer (30) und/oder der Zündheizer (31) aus einem im Wesentlichen mäanderförmig
verlaufenden Heizleiter gefertigt sind.
4. Brennkammerheizung (18) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Heizleiter einstückig durch den Flächenheizer (30) und den Zündheizer (31)
erstreckt.
5. Brennkammerheizung (18) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterwindungen im Zündheizer dichter nebeneinander angeordnet sind als beim
Flächenheizer.
6. Brennkammerheizung (18) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündheizer (31) und der Flächenheizer (30) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
7. Brennkammerheizung (18) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Zündzone (26) an der an die Brennkammer (1) angrenzenden Fläche der
Brennkammerheizung (18) kleiner ist als der Anteil der Heizfläche (21).
8. Brennkammerheizung (18) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfläche (21) aus einem Keramikwerkstoff gefertigt ist.
9. Brennkammerheizung (18) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Keramikwerkstoffs wenigstens 15 W/(m K) beträgt.
10. Brennkammerheizung (18) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündzone (26) als ein aus einer Umwandung (22) der Brennkammer (1) in die Brennkammer
(1) ragender Vorsprung ausgestaltet ist.
11. Brennkammerheizung (18) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (26) von der Heizfläche (21) umgeben ist.
12. Brennkammerheizung (18) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündzone (26) mit der Heizfläche (21) einstückig ausgeformt ist.
13. Brennkammerheizung (18) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (26) an der von der Brennkammer (1) abgewandten Seite eine Tasche bildet,
in der zumindest ein Abschnitt des Zündheizers (31) aufgenommen ist.
14. Brennkammerheizung (18) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (30) zwischen einem Tragkörper (27) und einem die Heizfläche (21)
bildenden Keramikkörper (24) angeordnet ist.
15. Brennkammerheizung (18) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (27) aus einem wenigstens keramikhaltigen, wärmeisolierenden Werkstoff
besteht.
16. Brennkammerheizung (18) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (27) einen in den Vorsprung (26) der Zündzone (26) aufgenommenen Vorsprung
(33) bildet.
17. Brennkammerheizung (18) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (28) den Vorsprung (33) des Tragkörpers (27) umschlingt.
18. Brennkammerheizung (18) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (30) an der von der Brennkammer (1) abgewandten Seite eines die Heizfläche
(21) bildenden Keramikkörpers (24) mittels einer Gussmasse (41) einzementiert ist.
19. Brennkammerheizung (18) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Heizfläche (21) und die Zündzone (26) bildender Keramikkörper und das Heizelement
zu einem einstückig in die Brennkammer (1) einsetzbaren Heizmodul vormontiert sind.
20. Brennkammerheizung (18) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizfläche (21) eine Einlasszuleitung (17) aufweist, durch welche im Betrieb
Brennstoff in die Brennkammer (1) einleitbar ist.
21. Brennkammerheizung (18) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (30) die Zuleitung (17) beheizt.
22. Brennkammerheizung (18) nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündzone (26) benachbart zur Zuleitung (17) angeordnet ist.
23. Brennkammerheizung (18) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenheizer (30) vom Brennstoff durchströmt ausgestaltet ist.
24. Brennkammerheizung (18) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenheizer (30) wenigstens einen durchströmbaren Fluidkanal (17) ausbildet.
25. Brennkammerheizung (18) nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal den Flächenheizer (30) bogenförmig durchsetzt.