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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.
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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.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Elektrodenanordnung
insbesondere zur Zündung
von flüssigen
und/oder gasförmigen
Brennstoffen anzugeben.
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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.
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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.
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Weiter
können
hohe Temperaturen (1000°C) erreicht
werden und die Temperatur kann gut gesteuert werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung ist in den Unteransprüchen bezeichnet.
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Gemäß eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung sind das Trägerrohr
und die Keramikfolie des mindestens einem Heizelements jeweils aus
mindestens 50% Al2O3 gebildet.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
sind die Kontaktierungspunkte des Heizleiters und der Elektrode
hierbei jeweils weniger als 30 mm voneinander entfernt angeordnet.
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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.
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Vorzugsweise
ist das mindestens eine elektrische Heizelement in einem Schutzrohr
angeordnet. Das mindestens eine Heizelement wird in das Schutzrohr
geschoben und dort mechanisch fixiert.
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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.
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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 Metallpulvern, wie beispielsweise
Mischungen aus 60 Vol.-% Al2O3-Pulver mit 40 Vol.-%
Wolfram-; Molybdän-
oder Platinpulver haben sich zur Bildung eines Heizleiters bewährt.
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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.
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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.
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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.
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Der
Innendurchmesser des Trägerrohrs
beträgt
vorzugsweise zwischen 1 und 15 mm, sein Außendurchmesser bevorzugt zwischen
4 und 25 mm.
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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.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist die Elektrode eine stabförmige Formgebung auf. Vorzugsweise
weist sie einen im wesentlichen kreisscheibenförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt
auf.
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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.
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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.
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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.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen
unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft erläutert.
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1a zeigt
eine Elektrodenanordnung im Längsschnitt.
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1b zeigt
die Elektrodenanordnung nach 1a im
Querschnitt A-A'.
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2a zeigt
eine weitere Elektrodenanordnung im Längsschnitt.
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2b zeigt
die Elektrodenanordnung nach 2 im
Querschnitt B-B'.
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3a bis 3d zeigen
schematische Darstellungen einer weiteren Elektrodenanordnung.
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3e zeigt
die Elektrodenanordnung nach 3a bis 3c im
Längsschnitt.
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1a 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
Al2O3 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 über
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 1a gezeigt, ist die Elektrode 7 konzentrisch
im Trägerrohr 3a angeordnet
und besitzt, wie in 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.
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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.
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Die 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 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.
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Anhand
der Figuren 3a bis 3e wird nun
eine weitere erfindungsgemäße Elektrodenanordnung,
eine Elektrodenanordnung 3 beschrieben.
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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 3c bis 3e gezeigt,
sind weiter elektrische Kontaktierungspunkte 34 zur Kontaktierung
des Heizleiters auf der Außenseite
des rohrförmigen
Heizelements 3 angeordnet.
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Weiter
weist die Elektrodenanordnung 3 ein Kabel 32 auf,
welches die Elektrode 37 elektrisch mit einem Stecker 33 verbindet.
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Wie
in 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 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.