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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Heizgeräte-Brenner
mit einer Prallscheibe, die in einer Brennkammer des Heizgeräte-Brenners
im Bereich einer Flamme angeordnet ist und dort zum Aufstauen von
Brenngasen in der Brennkammer dient. Ferner betrifft die Erfindung
ein Heizgerät,
das mit einem derartigen gattungsgemäßen Brenner versehen ist.
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Bei
Heizgeräte-Brennern
der oben genannten Art werden Prallscheiben verwendet, damit in
der Brennkammer strömende
Verbrennungsluft bzw. Brenngase aufgestaut werden und die Flamme
unter verschiedenen Lastbedingungen stabilisiert wird. Die Prallscheibe
stellt ein Strömungshindernis
dar, das in der Regel quer zur Hauptströmungsrichtung der Brenngase
angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Baugröße der Brennkammer sowie insbesondere
deren Länge
verringert werden.
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Mit
Hilfe einer Prallscheibe können
die folgenden Wirkungen erzielt werden:
- – die Strömung in
der Brennkammer kann umgelenkt und Turbulenzen können erzeugt werden, die ein
Vermischen von Brennstoff und Brennluft begünstigen,
- – das
Startverhalten kann durch ein verbesserte Vermischung von Brennstoff
und Brennluft verbessert werden, und
- – das
Ausbrennverhalten kann, insbesondere bei schwer zerstäubbarem
Brenn stoff, verbessert werden, weil nicht verdampfte Brennstofftröpfchen der
Strömungsumlenkung
an der Prallscheibe nicht folgen können und daher auf die heiße Prallscheibe
treffen.
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Aus
DE 10019 198 A1 und
DE 100 39 152 A1 sind
gattungsgemäße Zerstäuberbrenner
bekannt, bei denen ein solcher Staukörper bzw. eine Prallscheibe
quer vor einem Düsenkörper in
einer Brennkammer angeordnet ist.
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Die
bei heutigen Brennern verwendeten Prallscheiben sind vergleichsweise
teuer und aufwendig in der Herstellung. Insbesondere muss das für die Prallscheibe
zu verwendende Material hochtemperatur- und zunderbeständig sein,
so dass extrem hohe Materialkosten anfallen.
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Bekannte
Prallscheiben werden durch ein verhältnismäßig teueres Laserschneidverfahren
oder einen Blechstanzprozess hergestellt und es ergeben sich ferner
Probleme bei der Ausformung und Befestigung von Stützfüßen an der
Scheibenfläche
der Prallscheibe. Der Blechstanzprozess verursacht zusätzliche
Kosten durch Verschnitt der Blechmatrix, Entsorgung des Verschnitts
und Recycling des Verschnitts.
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Aus
der
DE 197 50 964
A1 ist eine Brennkammer mit einem sich in einem radial
mittleren Bereich der Brennkammer befindlichen Luftzuführungsstutzen
offenbart. An diesem ist eine konvex gekrümmte Platte als Flammenhalter
befestigt. Dieser Flammenhalter steht seitlich in einen radial äußeren Bereich
der Brennkammer vor, in den über
eine Bohrung Brennstoff eingeführt
wird. Die Verbrennung findet damit in diesem radial äußeren Bereich
der Brennkammer statt. Der Flammenhalter kann als Metallpulver-Spritzgussteil
ausgeführt
sein.
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In
der
DE 100 19 198
A1 ist ein Zerstäuberbrenner
für ein
Fahrzeug-Heizgerät
offenbart, der eine Brennkammer mit einer im radial mittlerem Bereich
derselben angeordneten Prallscheibe aufweist. Die Prallscheibe ist über Befestigungslaschen
an der Brennkammer gehaltert.
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In
der
DE 102 21 495
A1 ist ein Brenner mit einer Brennkammer versehen, in der
im Bereich einer Flamme eine Prallscheibe zum Aufstauen der Hitze in
der Brennkammer angeordnet ist. Die Prallscheibe wird dabei über eine
Kühlluftzuführung gekühlt. Dabei
wird die Kühlluft
zu der von der Flamme weggewandten Rückseite der Prallscheibe zugeführt.
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Zugrundeliegende
Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät mit einem
Heizgeräte-Brenner bereitzustellen,
bei dem die oben genannten Nachteile überwunden sind und bei dem
sicher und kostengünstig
Brenngase in der Brennkammer aufgestaut werden.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem
Heizgeräte-Brenner
gemäß Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Erfindungsgemäß wird die
Prallscheibe eines Heizgeräte-Brenners,
welcher besonders vorteilhaft für
ein Fahrzeug-Zusatzheizgerät
verwendet wird, nicht mit einem Laserschneide- oder Blechstanzbiege-Prozess
hergestellt, sondern die Prallscheibe wird im so genannten MIM-Verfahren
(Metal Injection Moulding-Verfahren)
gegossen. Beim MIM-Verfahren wird Metallpulver durch Zusatz von thermoplastischen
Kunststoffen fließfähig gemacht und
einem Spritzgussprozess zugeführt.
Erfindungsgemäß werden
dabei insbesondere keine Wachse beigemischt, sondern es wird z.B.
allein mit Polycarbonat als Kunststoff gearbeitet. Als vorteilhaft
hat sich ferner ein Polyamidanteil von zirka 55 % bei einer Durchmischtemperatur
von etwa 120 °C
bis 130 °C
erwiesen. Nach dem Spritzgießen
wird der Kunststoffanteil wieder entfernt und das Bauteil dichtgesintert.
Das Entfernen des Kunststoffs geschieht gemäß der Erfindung vorteilhaft
durch einen Aceton-Löseprozess.
Die Gefahr der Lunkerbildung kann so sicher ausgeschlossen werden.
Für den
Spritzgussprozess können
zum Teil herkömmliche
Spritzgussmaschinen und Werkzeugformen verwendet werden. Der Werkzeugverschleiß ist gering,
da ein sogenanntes Feedstock (Metallpulver-Kunststoffgemisch) wie in
einem Kunststoffspritzgusswerkzeug verarbeitet wird und keine mechanische
Umformung wie in einem Blechstanzbiegewerkzeug stattfindet. Die
erfindungsgemäße Prallscheibe
kann daher in Metall oder Keramik sehr kostengünstig mit vergleichsweise komplexen
Formen gestaltet werden, welche sonst allenfalls in Kunststoff realisierbar
wären.
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Besonders
geeignet ist für
die erfindungsgemäße Prallscheibe
und auch für
weitere hitzebeständige
Bauteile des erfindungsgemäßen Heizgerätes ein
Werkstoff mit einem Titan-Anteil (Ti) von zwischen zirka 0,3 bis
0,7 %, insbesondere zirka 0,5 %, sowie einem Yttrium-Anteil (Y)
(insbesondere Y2O3)
von zwischen zirka 0,3 bis 0,7 %, insbesondere zirka 0,5 %. Als
weitere Bestandteile sollten einzeln oder in Kombination zwischen
zirka 18,0 und 22,0 %, insbesondere zirka 20,0 % Chrom (Cr), zwischen
zirka 3,0 und 6,0 %, insbesondere zirka 4,5 % Aluminium, sowie zwischen
zirka 0,01 und 0,06 %, insbesondere zwischen zirka 0,02 und 0,05
% Karbon (C) in dem Werkstoff enthalten sein. Als Grundwerkstoff
dient vorteilhaft Eisen (Fe). Derartige Werkstoffe sind gegen Oxidation
und Aufkohlung auch bei Temperaturen über 1300 ° C weitgehend beständig. Üblicherweise
werden bei MIM-Verfahren Nickel-Chrom-Eisen- oder Nickel-Eisen-Legierungen
verwendet, welche die bestehenden Anforderungen bezüglich Hochtemperaturkorrosion
und Oxidationsbeständigkeit
nicht erfüllen
würden.
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Die
erfindungsgemäße Prallscheibe
sollte ferner mit einem Sinterprozess hergestellt sein, bei dem
die Prallscheibe auf eine Sinterunterlage aufgeschrumpft ist. Durch
diese Herstellungsart mit einer nicht oder nur wenig schwindenden
Sinterunterlage, z.B. aus einer Oxid- oder SiC-Keramik, können die geforderten
Toleranzen der erfindungsgemäßen Prallscheibe
eingehalten werden. Die Maße
der Prallscheibe werden bei diesem Vorgehen im so genannten Grünzustand
und der Sinterunterlage entsprechend ausgelegt.
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Als
Material für
die verwendete Sinterunterlage eignet sich besonders eine Aluminium-Oxid-Legierung,
z.B. Al2O3.
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Die
erfindungsgemäße Prallscheibe
ist ferner vorteilhaft in dem Heizgeräte-Brenner von einer Brennkammer-Stirnwand
aus betrachtet, die Prallscheibe mit einer konvexen Grundform gestaltet.
Im Gegensatz zu bekannten Prallscheiben, die größtenteils eine planare Form
aufweisen, verformt sich eine solche erfindungsgemäß gestaltete
Prallscheibe vergleichsweise wenig, wenn sie Temperaturschwankungen
ausgesetzt ist. Die Stabilität
gegenüber
Verformungen durch Temperaturwechselbeanspruchung ist also vergleichsweise
hoch. Ferner weisen die Stützfüße der erfindungsgemäßen Prallscheibe vorteilhaft
jeweils mindestens einen Abschnitt auf, der von einem Flammrohr
ausgehend zur Stützwand hin
gerichtet ist. Mit diesen Maßnahmen
wird insgesamt erreicht, dass sich bei einer Temperaturerhöhung die
Längung
des Flammrohres und die Längung
der Stützfüße sowie
der Wölbung
der Prallscheibe kompensieren bzw. gegenseitig zumindest teilweise
aufheben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Heizgeräte-Brenner
ist ferner alternativ oder zusätzlich
mindestens ein Luftkanal vorgesehen, mit dem Kühlluft zu der dem Brennerelement
zugewandten Vorderseite der Prallscheibe zugeführt werden kann. Bekannte Prallscheiben
werden teilweise über
so genannte Tertiärluft
von der Rückseite
gekühlt.
Durch die Kühlung
von vorne werden speziell Stützfüße der erfindungsgemäßen Prallscheibe
effizienter gekühlt.
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Die
Anzahl solcher Stützfüße bzw.
Stützelemente,
mit denen die Prallscheibe in der Brennkammer gehaltert ist und
die am Umfangsrand der Prallscheibe verteilt angeordnet sind, sollte
vorteilhaft drei betragen. Mit einer derartigen Anzahl ist eine überbestimmte
Lagerung der erfindungsgemäßen Prallscheibe
vermieden.
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Des
Weiteren ist an der erfindungsgemäßen Prallscheibe vorteilhaft
eine Startkammer angeordnet, welche einstückig mit der Prallscheibe ausgestaltet
ist. Die Startkammer ist dann integraler Bestandteil der Prallscheibe
und muss nicht als separates Bauteil mit der Prallscheibe verschweißt werden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung führt zu einer erheblichen
Reduzierung der Herstellungskosten einer Prallscheibe, zur Verbesserung
der Unverträglichkeit
durch die Vermeidung von metallischem Abfall bzw. Verschnitt und
zugleich zu einer Erhöhung der
Lebensdauer sowie einer verbesserten Oxidations- und Zeitstandfestigkeit.
Einsatztemperaturen von bis zu 1200 ° C können daher erfindungsgemäß genutzt
werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Heizgeräte-Brenners anhand der
beigefügten
schematischen Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
wesentlicher Bauteile eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Heizgeräte-Brenners.
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2 eine
perspektivische Rückansicht
einer erfindungsgemäßen Prallscheibe
des Ausführungsbeispiels
der 1, und
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3 eine
perspektivische Vorderansicht einer Prallscheibe gemäß 2.
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Detaillierte
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein Heizgeräte-Brenner 10 eines weiter
nicht veranschaulichten Fahrzeug-Zusatzheizgerätes mit einer Brennkammer 12 in
einem Schnitt veranschau licht, welcher sich entlang einer Längsachse 14 des
Heizgeräte-Brenners 10 erstreckt.
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Der
Heizgeräte-Brenner 10 weist
als wesentliches Bauteil ein kreiszylindrisches inneres Flammrohr 16 auf,
das an der bezogen auf 1 linken Stirnseite mit einer
Stützwand
bzw. einem Hitzeschild 18 im Wesentlichen verschlossen
ist. An der Stützwand 18 sind
verschiedene Öffnungen
und Einrichtungen zum Haltern eines nicht dargestellten Brennerelements
und zum Zuführen
von Brennluft in die Brennkammer 12 ausgebildet.
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Das
innere Flammrohr 16 ist derart von einem äußeren Flammrohr 20 umgeben,
dass zwischen den beiden Flammrohren 16 und 20 ein
Ringkanal 22 ausgebildet ist, in den hinein auf der Seite der
Stützwand 18 beim
Betrieb des Heizgeräte-Brenners 10 ebenfalls
Luft zugeführt
werden kann.
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An
dem der Stützwand 18 gegenüberliegenden
Ende der Brennkammer 12 sind das innere und das äußere Flammrohr 16 bzw. 20 durch
einen Einschnürring 24 miteinander
verbunden, welcher sich ein geringes Stück radial nach innen bis zu
einer Brenngasdurchtrittsöffnung 26 erstreckt.
Durch diese Brenngasdurchtrittsöffnung 26 kann
Brenngas, welches bei der Verbrennung in der Brennkammer 12 entstanden
ist, in eine hinter der Brennkammer 12 angeordnete Nachbrennkammer 28 gelangen,
von der aus es durch eine Brenngasaustrittsöffnung 30 in einen
nicht dargestellten Wärmeübertrager
des zugehörigen
Fahrzeug-Zusatzheizgerätes ausströmt.
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In
der Brennkammer 12 ist quer zur Strömungsrichtung der Brenngase
und damit auch im Wesentlichen quer zur Längsachse 14 eine Prallscheibe 32 angeordnet,
die zum Aufstauen der Hitze innerhalb der Brennkammer 12 dient.
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Die
Prallscheibe 32 ist mit einem Scheibenkörper 34 gestaltet,
der von der Stützwand 18 aus
betrachtet konvex gewölbt
gestaltet ist. Mit der gewählten
konvexen Form der Prallscheibe 32 verformt sich diese bei
Temperaturwechselbeanspruchungen besonders wenig. Der Scheibenkörper 34 staut
die Brenngasströmung
im Mittelbereich der Brennkammer 12 und lenkt sie an den
Randbereich der Brennkammer 12 um bzw. ab. In diesem radial äußeren Bereich
der Brennkammer 12 können
die Brenngase durch einen Spalt zwischen Scheibenkörper 34 und Innenseite
des inneren Flammrohres 16 hindurchströmen. Der Spalt ist mit Hilfe
von Stützfüßen 36 geschaffen,
mittels denen der Scheibenkörper 34 an der
Innenseite des inneren Flammrohres 16 gehaltert ist. Damit
der Scheibenkörper 34 statisch
bestimmt gelagert ist, sind an dessen Umfang verteilt drei Stützfüße 36 angeordnet.
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An
der der Stützwand 18 zugewandten
Vorderseite 38 des Scheibenkörpers 34 ist mit diesem einstückig eine
becherförmige
Startkammer 40 ausgebildet, in deren Becherwand eine Öffnung bzw. Aussparung 42 ausgebildet
ist. Durch diese Öffnung 42 ragt
ein nichtdargestellter Glühstift
in die Startkammer 40, der in einer Öffnung 44 der Stützwand 18 gehaltert
ist. Der in die Startkammer 40 ragende Glühstift heizt
und zündet
beim Starten des Heizgeräte-Brenners 10 eine
begrenzte Brennstoffmenge, so dass ein sicherer und schadstoffarmer
Start des zugehörigen
Fahrzeug-Heizgerätes
sichergestellt ist. Eine durch Wärmeausdehnung
bedingte Verformung der Prallscheibe 32 ist dabei derart
gering, dass ein Kontakt zwischen der Startkammer 40 und
dem Glühstift
vermieden ist. Damit trotz der erheblichen Verformung der Bauteile
des Heizgeräte-Brenners 10 aufgrund
der Temperaturänderungen
ein Kontakt zwischen Glühstift
und Prallscheibe 32 sicher vermieden ist, weisen die Stützfüße 36 jeweils
mindestens einen Abschnitt 36a auf, der vom Flammrohr 20 ausgehend
zur Stützwand 18 hin
gerichtet ist. Ferner ist die Prallscheibe 32 von der Stützwand 18 aus
betrachtet konvex gestaltet. Mit diesen beiden Maßnahmen,
die einzeln oder in Kombination angewendet werden können, wird
erreicht, dass sich bei einer Temperaturerhöhung die Längung des Flammrohres 16 und
die Längung
der Stützfüße 36 sowie
der Wölbung
der Prallscheibe 32 kompensieren bzw. gegenseitig zumindest
teilweise aufheben. Wenn die Stützfüße hingegen
von Stützwand 18 wegweisen
und die Prallscheibe konkav gewölbt
gestaltet ist, addieren sich die Längungen dieser Bauteile und
des Flammrohres, so dass sich die Abstände zwischen Glühstift und
Prallscheibe unerwünscht
stark verändern.
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Die
Prallscheibe 32 ist mit ihrem Scheibenkörper 34, ihren Stützfüßen 36 und
der Startkammer 40 im so genannten MIM-Verfahren aus einem
Werkstoff mit einem Titan-Anteil (Ti) von zirka 0,5 %, sowie einem
Yttrium-Anteil (Y) (insbesondere Y2O3) von zirka 0,5 % hergestellt. Als weitere
Bestandteile sind zirka 20,0 Chrom (Cr), zirka 4,5 % Aluminium,
sowie zwischen zirka 0,02 und 0,05 % Karbon (C) in dem Werkstoff
enthalten. Als Grundwerkstoff dient Eisen (Fe) mit einem Anteil
von etwa 74 %.
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Bei
der Herstellung wird die Prallscheibe 32 zunächst aus
einem Metallpulver unter Zusatz von thermoplastischen Kunststoffen
mit gewissen Aufmaßen
spritzgegossen. Der dabei hergestellte, so genannte Braunling wird
entbinden und an der von der Vorderseite 38 abgewandten
Rückseite 46 der
Prallscheibe 32 wird eine nicht dargestellte Sinterunterlage
eingesetzt. Auf diese Sinterunterlage wird die Prallscheibe 32 beim
Dichtsintern aufgeschrumpft und nimmt so ihre für den Einbau im inneren Flammrohr 16 vorgesehenen
Endmasse an. Aufgrund der Herstellungsart, des verwendeten Materials
und der besonders angepassten Form der Prallscheibe 32 lässt sich
diese besonders kostengünstig
herstellen und weist eine hohe Oxidations- und Zeitstandsfestigkeit
auf. Durch das MIM-Verfahren ist der Werkzeugverschleiß gering,
weil das Grundmaterial, das so genannte Feedstock, wie beim Kunststoffspritzgießen ohne
mechanische Umformung verarbeitet wird.
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Im
inneren Flammrohr 16 sind über dessen Umfang verteilt
mehrere Öffnungen 48 ausgebildet, durch
die hindurch Kühlluft
zur Vorderseite 38 der Prallscheibe 32 durch den
Ringkanal 22 zugeführt werden
kann. Mit dieser Kühlung
von vorne werden besonders die Stützfüße 36 der Prallscheibe 32 gekühlt.
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Abschließend sei
angemerkt, dass sämtlichen
Merkmalen, die in den Anmeldungsunterlagen und insbesondere in den
abhängigen
Ansprüchen genannt
sind, trotz des vorgenommenen formalen Rückbezugs auf einen oder mehrere
bestimmte Ansprüche,
auch einzeln oder in beliebiger Kombination eigenständiger Schutz
zukommen soll.
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- 10
- Heizgeräte-Brenner
- 12
- Brennkammer
- 14
- Längsachse
- 16
- inneres
Flammrohr
- 18
- Stützwand
- 20
- äußeres Flammrohr
- 22
- Ringkanal
- 24
- Einschnürring
- 26
- Brenngasdurchtrittsöffnung
- 28
- Nachbrennkammer
- 30
- Brenngasaustrittsöffnung
- 32
- Prallscheibe
- 34
- Scheibenkörper
- 36
- Stützfuß
- 38
- Vorderseite
- 40
- Startkammer
- 42
- Öffnung
- 44
- Öffnung
- 46
- Rückseite
- 48
- Öffnung