[0001] Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung, die insbesondere zur Anlegung einer
Steuerspannung in einem Reaktor oder zur Generierung eines Zündimpulses zur Zündung
eines gasförmigen oder flüssigen Brennstoffes, insbesondere eines Öldampfes, verwendet
werden kann.
[0002] Derartige Elektrodenanordnungen bestehen üblicherweise aus einer Elektrode, bestehend
aus einem elektrisch leitfähigen Material und einem diese Elektrode umschließenden
Isolator, der die Elektrode galvanisch von den Wänden des Reaktors bzw. des Brennraums
trennt.
[0003] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Elektrodenanordnung
insbesondere zur Zündung von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen anzugeben.
[0004] Diese Aufgabe wird durch eine Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst, welche
mindestens ein elektrisches Heizelement und eine Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen
Material umfasst, wobei hier das mindestens eine Heizelement ein keramisches Trägerrohr
und mindestens einen, auf eine Keramikfolie gedruckten elektrischen Heizleiter und/oder
einen um das keramische Trägerrohr gewickelten Heizleiter aufweist, wobei die Keramikfolie
derart um das Trägerrohr gewickelt und mit diesem versintert ist, dass der mindestens
eine Heizleiter zwischen der Keramikfolie und dem Trägerrohr angeordnet ist, und wobei
sich die Elektrode zumindest durch einen Abschnitt des keramischen Trägerrohrs erstreckt.
[0005] Durch die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung kann zum einen auf zusätzliche Heizelemente
innerhalb des Reaktors oder Brennraums verzichtet werden, wodurch sich ein sehr kompakter
Aufbau und eine kostengünstige Fertigung des Systems ergibt. Weiter wird hierdurch
die Heizenergie lokal im Bereich der Elektrode eingetragen, wodurch zum einen die
für den Start des Prozesses notwendige Energie verringert wird und zum anderen der
Verbrennungsprozess verbessert wird. Weiter ergeben sich durch den speziellen Aufbau
der Elektrodenanordnung weitere Vorteile in Bezug auf mechanische Stabilität und Festigkeit,
galvanische Trennung, Wärmeübertrag und Gewicht. Die Verwendung eines Trägerrohrs,
insbesondere mit kreisringförmigem Querschnitt, zum Aufbau des mindestens einem Heizelements
garantiert eine hohe mechanische Stabilität und Festigkeit und gleichzeitig ein geringes
Eigengewicht. Weiter wird hierdurch ein geringer Wärmeübergangswiderstand zwischen
Heizelement und Elektrode sichergestellt. Im Vergleich zu flachen Heizelementen ist
die Bruchgefahr durch die rohrförmige Gestaltung des Heizelements deutlich reduziert.
Auch "heiße Zonen" in der Elektrodenanordnung werden durch die Hohe mechanische Stabilität
des Trägerrohrs geduldet, während z.B. flächige Heizelemente ein vollkommen gleiche
Temperaturverteilung über die Heizelementfläche erfordern.
[0006] Weiter können hohe Temperaturen (1000°C) erreicht werden und die Temperatur kann
gut gesteuert werden.
[0007] Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Unteransprüchen bezeichnet.
[0008] Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sind das Trägerrohr und
die Keramikfolie des mindestens einem Heizelements jeweils aus mindestens 50 % Al
2O
3 gebildet.
[0009] Vorzugsweise weist die Elektrodenanordnung ein Halteelement auf, welches auf dem
keraminschen Trägerrohr oder auf der das keramische Trägerrohr umschließende Keramikfolie
mechanisch festgelegt ist. Die Fixierung des Halteelements auf dem keramischen Trägerrohr
bzw. der Keramikfolie kann beispielsweise mittels Verkleben, Verschrauben, Verpressen
oder auf sonstige Weise durchgeführt sein. Bei dem Halteelement handelt es sich beispielsweise
um ein entsprechend geformtes Blech oder um ein Gewindeteil.
[0010] Vorzugsweise umschließt das Halteelement das keramische Trägerrohr vollständig und
besteht beispielsweise aus einem Blech mit einer Durchbrechung, durch die das keramische
Trägerrohr, gegebenenfalls mit der das keramische Trägerrohr umschließenden Keramikfolie,
geführt ist.
[0011] Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Kontaktierungspunkte,
welche der elektrischen Kontaktierung des Heizleiters und der Elektrode dienen auf
derselben Seite des Halteelements angeordnet. Das das keramische Trägerrohr allseitig
umschließende Halteelement teilt so die Elektrodenanordnung in zwei Teile, wobei in
dem einen Teil (kalter Bereich) die Kontaktierungspunkte beispielsweise auf der Außenseite
des Heizelements angeordnet sind. Hierdurch wird eine kostengünstige Kontaktierung
der Elektrodenanordnung ermöglicht.
[0012] Vorzugsweise sind die Kontaktierungspunkte des Heizleiters und der Elektrode hierbei
jeweils weniger als 30 mm voneinander entfernt angeordnet.
[0013] Die Kontaktierung erfolgt vorzugsweise mittels Klemmung. Es ist weiter möglich, dass
die Kontaktierung mittels Lötung erfolgt. Weiter ist es möglich, dass die elektrische
Kontaktierung des mindestens einen Heizelements vorzugsweise mit keramischer Gußmasse
bedeckt wird.
[0014] Vorzugsweise ist das mindestens eine elektrische Heizelement in einem Schutzrohr
angeordnet. Das mindestens eine Heizelement wird in das Schutzrohr geschoben und dort
mechanisch fixiert.
[0015] Vorzugsweise ist der Zwischenraum zwischen dem mindestens einen Heizelement und dem
Schutzrohr mit einem wärmeisolierenden Material ausgefüllt. Der Wärmeeintrag ins Innere
des jeweiligen Schutzrohrs und damit auf die Elektroden wird dadurch nochmals erhöht.
Es resultiert eine Erhöhung der Temperatur im Trägerrohr um bis zu 300 °C im Vergleich
zu einer Ausführung ohne wärmeisolierendes Material. Als wärmeisolierendes Material
haben sich insbesondere Fasermatten, poröse Leichtbausteine oder Keramik, Vakuumformteile
und dergleichen bewährt.
[0016] Vorzugsweise ist der mindestens eine Heizleiter des mindestens einen Heizelements
aus einem Refraktärmetall, wie Wolfram, Platin, Molybdän oder Molybdändisilizid, aus
einem elektrisch leitfähigen Keramik-Metall-Komposit oder aus einem elektrisch leitfähigen
Keramikmaterial gebildet. Durch den positiven Temperaturkoeffizient des Widerstands
von beispielsweise Wolfram oder Platin ist ein damit gebildetes Heizelement quasi
selbstbegrenzend. Keramik-Metall-Komposit bzw. Mischungen aus Keramik und Metallpulvem,
wie beispielsweise Mischungen aus 60 Vol.-% Al
2O
3-Pulver mit 40 Vol.-% Wolfram-; Molybdän- oder Platinpulver haben sich zur Bildung
eines Heizleiters bewährt.
[0017] Es hat sich bewährt, wenn das Schutzrohr aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung,
insbesondere mit einer Einsatztemperatur im Bereich von 900 bis 1000 °C und mehr gebildet
ist. Insbesondere eignen sich nicht rostende CR-Stähle, Warmarbeitsstähle oder hitzebeständige
Stähle als Material für das Schutzrohr. Zwar ist auch die Verwendung eines keramischen
Schutzrohrs möglich, jedoch weisen keramische Schutzrohre eine höhere Bruchanfälligkeit
und zudem möglicherweise eine höhere Masse auf, die sich gegebenenfalls negativ auf
den Temperaturverlauf auswirkt.
[0018] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steht nicht die Wärmeabstrahlung
der Elektroden im Vordergrund, sondern das keramische Trägerrohr mit Heizleiter dient
direkt zur Erwärmung des umgebenden Mediums. Bei derartigen Ausführungsformen ist
eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Heizleiter und keramischen Trägerrohr von
besonderem Vorteil.
[0019] Das keramische Trägerrohr weist, wie bereits oben ausgeführt, vorzugsweise einen
kreisringförmigen Querschnitt auf. Es ist jedoch auch möglich, dass das keramische
Trägerrohr einen anderen Querschnitt besitzt. So ist es beispielsweise möglich, dass
der Querschnitt des Innenraums des Trägerrohrs einen dreieckförmigen, viereckförmigen
oder sechseckförmigen Querschnitt besitzt.
[0020] Der Innendurchmesser des Trägerrohrs beträgt vorzugsweise zwischen 1 und 15 mm, sein
Außendurchmesser bevorzugt zwischen 4 und 25 mm.
[0021] Die Elektrode, welche sich durch das keramische Trägerrohr erstrecken, besteht vorzugsweise
aus einem Metall oder einer Metalllegierung. Bevorzugt besteht die Elektrode aus einer
AlCrFe- oder CrNi-Legierung. Weiter ist es auch möglich, dass die Elektrode aus Kupfer
oder Stahl besteht.
[0022] Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Elektrode eine
stabförmige Formgebung auf, Vorzugsweise weist sie einen im wesentlichen kreisscheibenförmigen
oder rechteckförmigen Querschnitt auf.
[0023] Bevorzugt ist hierbei die Querschnittform der Elektrode an die Formgebung der Innenwand
des Trägerrohrs angepasst. Weist so der von der Innenwand des Trägerrohrs begrenzten
Hohlraum ein kreisscheibenförmigen oder viereckförmigen Querschnitt auf, so weist
die Elektrode ebenfalls einen kreisscheibenförmigen bzw. viereckförmigen Querschnitt
auf. Vorzugsweise beträgt hierbei die Differenz zwischen dem Außendurchmesser der
Elektrode und dem Innendurchmesser des Trägerrohrs weniger als 1 mm.
[0024] Gemäß eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist die Elektrode
gasdicht durch das Trägerrohr geführt. Es ist so beispielsweise möglich, dass die
Elektrode formschlüssig in das Trägerrohr eingespannt und mit diesem verpresst ist.
Weiter ist es auch möglich, dass die Zwischenräume zwischen der Elektrode und der
Innenwand des Trägerrohrs mit einem Dichtmedium verfüllt sind. Als Dichtmedium eignet
sich insbesondere Glaslot, Silikon bzw. Acryldichtmassen, keramische oder polymere
Kleber und Vergußmassen.
[0025] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Elektrodenanordnung
weiter mit einem Hochspannungsgenerator verbunden, welcher elektrisch mit der Elektrode
verbunden ist. Durch den Hochspannungsgenerator werden beispielsweise Hochspannungsimpulse
generiert, die von der Elektrode als Zündimpuls in den Reaktor oder Brennraum eingeleitet
werden. Weiter ist es auch möglich, dass der Elektrode auch Steuer- oder Signalspannung
(0-50 kV) zugeführt werden (Wechsel- oder Gleichspannung). Außerdem können von der
Elektrode Steuer- oder Signalströme abgeleitet werden, falls die Elektrodenanordnung
als Sensor dient oder ein Sensor mit der Elektrode verbunden ist.
[0026] Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme
der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft erläutert.
- Fig. 1 a
- zeigt eine Elektrodenanordnung im Längsschnitt.
- Fig. 1b
- zeigt die Elektrodenanordnung nach Fig. 1a im Querschnitt A-A'.
- Fig.2a
- zeigt eine weitere Elektrodenanordnung im Längsschnitt.
- Fig. 2b
- zeigt die Elektrodenanordnung nach Fig. 2 im Querschnitt B-B'.
- Fig. 3a bis Fig. 3d
- zeigen schematische Darstellungen einer weiteren Elektrodenanordnung.
- Fig. 3e
- zeigt die Elektrodenanordnung nach Fig. 3a bis 3c im Längsschnitt.
[0027] Figur 1 a zeigt eine Elektrodenanordnung 1 im Längsschnitt. Die Elektrodenanordnung
1 weist ein Schutzrohr 2 aus nicht-rostendem Cr-Stahl und im Schutzrohr 2 ein rohrförmiges
Heizelement 3 auf. Das Heizelement 3 weist ein Trägerrohr 3a aus Al
2O
3 auf. Zwischen dem Trägerrohr 3a und einer Keramikfolie 3b aus dem gleichen Material
ist an einem Ende des Trägerrohrs 3a ein gedruckter Heizleiter 4 aus Platin mäanderförmig
eingebettet, der am anderen Ende des Trägerrohrs 3a elektrisch kontaktiert werden
kann. Im Längsschnitt ist die Lage des Heizleiters 4 zwischen dem Trägerrohr 3a und
der Keramikfolie 3b gestrichelt angedeutet und durch einen Ausbruch im Trägerrohr
3a hindurch unmittelbar vor der Keramikfolie 4 erkennbar. Der Heizleiter 4 erstreckt
sich dabei vorzugsweise Ober mehr als die Hälfte der Länge des Heizelements 3. Das
Heizelement 3 ist konzentrisch im Schutzrohr 2 angeordnet und mittels eines Distanzrings
5 im Schutzrohr 2 fixiert. Der Distanzring 5 kann hier das Heizelement 3 vollständig
umgeben oder aber nur bereichsweise vorhanden sein. Durch das Trägerrohr 3a erstreckt
sich eine Elektrode 7. Die Elektrode 7 hat eine stabförmige Formgebung und ist einerseits
mit einem Spannungsgenerator, vorzugsweise einem Hochspannungsgenerator, verbunden
und ragt auf der anderen Seite in einen nicht gezeigten Reaktorraum oder Brennraum.
Die Elektrode 7 besteht aus einem elektrisch leitfähigem Material, insbesondere aus
einer AlCrFe- oder CrNi-Legierung. Wie in Fig. 1a gezeigt, ist die Elektrode 7 konzentrisch
im Trägerrohr 3a angeordnet und besitzt, wie in Fig. 1b gezeigt, einen im wesentlichen
kreisscheibenförmigen Querschnitt. Der Zwischenraum zwischen der Innenwand des Trägerrohrs
3a und der Elektrode 7 ist vorzugsweise mit einem Dichtmedium verfüllt, beispielsweise
mit Glaslot, Silikon- oder Acryldichtmasse, mit einem keramischen oder polymeren Kleber
oder Vergußmaterial verfüllt.
[0028] Weiter ist es auch möglich, dass die Elektrode 7 in dem Bereich, in dem die Elektrode
7 durch das Trägerrohr 3a geführt ist, in einen Trägerkörper eingeschmolzen ist, der
dann wiederum in das Trägerrohr eingeführt wird.
[0029] Die Figuren 2a und 2b verdeutlichen eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung. Diese Figuren zeigen eine Elektrodenanordnung 20, welche das
rohrförmige Heizelement 3, eine Elektrode 27, ein Anschlußelement 21 sowie eine Anschlagscheibe
23 und einen O-Ring-Dichtung 22 aufweist. Wie in Fig. 2a gezeigt, erstreckt sich die
Elektrode 27 vollständig durch das keramische Trägerrohr 3a des Heizelements 3. An
die Elektrode 27 sind ein oder mehrere Sicherungsohren 24 angeformt und in dem einen
Ende des keramischen Trägerrohrs 3a ist eine Ausnehmung zur Aufnahme der Anschlagscheibe
23 ausgeformt. Die Sicherungsohren 24 greifen nun in die Anschlagscheibe 23 ein und
verhindern eine Bewegung der Elektrode 27 in Richtung des keramischen Trägerrohrs
3a. Der aus dem anderen Ende des keramischen Trägerrohrs ragende Abschnitt der Elektrode
27 ist mit einem Gewinde versehen, in welches das Anschlußelement 21 eingreift. Bei
dem Anschlußelement 21 handelt es sich vorzugsweise um einen Rundstecker. Das Anschlußelement
21 übt bei Verschraubung einen Anpressdruck auf die O-Ring-Dichtung 22 aus und fixiert
hierbei die Elektrode 27 mechanisch in einer festen Lage gegenüber dem keramischen
Trägerrohr 3a. Weiter wird so gleichzeitig für eine gasdichte Durchführung der Elektroden
27 durch das keramische Trägerrohr 3a gesorgt, aufgrund der Abdichtung durch die O-Ring-Dichtung
22. Weiter weist die Elektrodenanordnung zwei Kontaktierungspunkte 28 auf, welche
zur Kontaktierung des Heizleiters dienen.
[0030] Anhand der Figuren Fig. 3a bis Fig. 3e wird nun eine weitere erfindungsgemäße Elektrodenanordnung,
eine Elektrodenanordnung 3 beschrieben.
[0031] Die Elektrodenanordnung 3 weist eine Elektrode 37, ein rohrförmiges Heizelement 3
und ein Halteelement 31 auf. Das Halteelement 31 ist aus einem Blech gefertigt, welches
eine zentrale, kreisscheibenförmige Ausnehmung aufweist, durch die das rohrförmige
Heizelement 3 geführt ist. Weiter weist das Halteelement 31 noch ein oder mehrere
Bohrungen auf, welche zur Befestigung des Halteelements 31 dienen. Das Halteelement
31 ist beispielsweise durch Verkleben oder Verpressen mechanische fest mit dem rohrförmigen
Heizelement 3 verbunden. Wie in Fig. 3c bis Fig. 3e gezeigt, sind weiter elektrische
Kontaktierungspunkte 34 zur Kontaktierung des Heizleiters auf der Außenseite des rohrförmigen
Heizelements 3 angeordnet.
[0032] Weiter weist die Elektrodenanordnung 3 ein Kabel 32 auf, welches die Elektrode 37
elektrisch mit einem Stecker 33 verbindet.
[0033] Wie in Fig. 3e gezeigt, erstreckt sich die Elektrode 37 nicht vollständig durch das
keramische Trägerrohr 3a, sondern erstreckt sich lediglich durch einen Abschnitt des
keramischen Trägerrohrs. Durch den anderen Teilbereich des keramischen Trägerrohrs
ist das Kabel 32 geführt, welches die Elektrode 37 elektrisch kontaktiert. Wie in
Fig. 3 gezeigt, ragt weiter die Elektrode 37 auf der einen Seite des Halteelements
31 aus dem rohrförmigen Heizelement 3 und auf der anderen Seite des Halteelements
31 sind die elektrischen Kontaktierungspunkte 34 für das Heizelement angeordnet und
das Kabel 32 aus dem rohrförmigen Heizelement 3 geführt.
1. Elektrodenanordnung (1, 20, 30) umfassend mindestens ein elektrisches Heizelement
(3) und eine Elektrode (7, 27, 37) aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei
das mindestens eine Heizelement (3) ein keramisches Trägerrohr (3a) und mindestens
einen, auf eine Keramikfolie (3b) gedruckten, elektrischen Heizleiter (4) und/oder
mindestens einen auf das keramische Trägerrohr gewickelten Heizleiter aufweist, wobei,
wenn eine Keramikfolie mit einem Heizleiter vorgesehen ist, die Keramikfolie (3b)
derart um das Trägerrohr (3a) gewickelt und mit diesem versintert ist, dass der mindestens
eine Heizleiter (4) zwischen der Keramikfolie (3b) und dem Trägerrohr (3a) angeordnet
ist, und wobei sich die Elektrode (7, 27, 37) durch zumindest einen Abschnitt des
keramischen Trägerrohrs (3a) des mindestens einen Heizelements (3) erstreckt.
2. Elektrodenanordnung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Elektrode (7) vollständig durch den Innenraum des keramischen Trägerrohrs
(3a) erstreckt.
3. Elektrodenanordnung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektrode (7) aus einer AlCrFe oder CrNi Legierung besteht.
4. Elektrodenanordnung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektrode stabförmig ausgeformt ist und einen Außendurchmesser von 1 bis 5 mm
besitzt.
5. Elektrodenanordnung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Trägerrohrs und dem Außendurchmesser
der Elektroden zwischen 0 und 1 mm beträgt.
6. Elektrodenanordnung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektrode (7) gasdicht durch das Trägerrohr (3a) geführt ist und/oder dass die
Elektrode formschlüssig in das Trägerrohr eingepasst ist.
7. Elektrodenanordnung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zwischenräume zwischen Elektrode und Innenwand des Trägerrohrs mit einem Dichtmedium
verfüllt sind wobei das Dichtmedium insbesondere aus der Gruppe Glaslot, Kleber, keramische
und polymere Füllmasse ausgewählt ist.
8. Elektrodenanordnung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das mindestens eine Heizelement (3) in einem Schutzrohr (2) angeordnet ist.
9. Elektrodenanordnung (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Zwischenraum (6) zwischen dem mindestens einem Heizelement (3) und dem Schutzrohr
(2) mit einem wärmeisolierenden Material (9) ausgefüllt ist.
10. Elektrodenanordnung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der mindestens eine Heizleiter (4) aus einem Refraktärmetall, insbesondere aus Wolfram,
Platin, Molybdän oder Molybdändislizid, aus einem elektrisch leitfähigen Keramik-Metall-Komposit
oder aus einem elektrisch leitfähigen Keramikmaterial gebildet ist.
11. Elektrodenanordnung (30) nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektrodenanordnung (20) ein elektrisches Anschlußelement (21) aufweist, welches
auf die Elektroden aufgeschraubt ist.
12. Elektrodenanordnung (1, 20, 30) nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Heizleiter stoffschlüssig mit dem Trägerrohr verbunden ist.
13. Elektrodenanordnung (30) nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektrodenanordnung (30) ein Halteelement (31) aufweist, welches das Trägerrohr
vollständig umschließt.
14. Elektrodenanordnung (30) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrischen Kontaktierungspunkte (34) des Heizleiters und der Elektrode auf
derselben Seite des Halteelements (31) angeordnet sind.
15. Elektrodenanordnung (20) nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontaktierungspunkte (28, 21) des Heizleiters und der Elektrode weniger als 30
mm voneinander entfernt angeordnet sind.