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Zündvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine automatische Zündvorrichtung
für Brennstoffe gemäß dem Patent 812 782. Die Brennstoffzündvorrichtung nach dem
Hauptpatent benutzt einen Katalysator aus feinem Draht in der Form einer Wendel,
welche elektrisch auf eine Temperatur geheizt wird, die wesentlich unter der Entzündungstemperatur
des Brennstoffes und unter der Rekristallisationstemperatur des katalytischen Metalls
liegt. Diese Spule wird vorteilhaft so konstruiert, daß sie einen heterophasischen
Katalysator bildet, in welchem die katalytische Reaktion in einer ersten Phase beginnt
und die Zündung in einer zweiten Phase stattfindet.
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Eine solche elektrisch geheizte katalytische Zündvorrichtung bildet
die erste praktische automatische Zündvorrichtung, welche fähig ist, bei Berührung
fein verteilte Brennstoffe in einem fließenden Brennstoff-Luft-Gemisch, in welchem
der Brennstoff brennbare Stoffe enthält, die schwierig zu entzünden sind, zuverlässig
zu entzünden.
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Die Erfindung ist eine wichtige Verbesserung, nämlich eine Zündvorrichtung,
welche über ein weites Gebiet von Brennstoffgemischen arbeitet und welche auch die
am schwierigsten entzündlichen Gase, wie sogar Methan, zuverlässig zu entzünden
vermag.
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Wie im Hauptpatent angedeutet wird, muß der katalytische Draht der
Zündvorrichtung einen sehr kleinen Durchmesser haben und so geformt sein, daß er
eine Wendel bildet. Der Draht besteht oder hat mindestens eine Oberfläche aus einem
katalytischen Metall, welches den Brennstoff im Brennstoff-Luft-Gemisch in einer
flammenlosen Verbrennung katalysieren soll und welchesPlatin oder andere Metalle
aus der Platingruppe oder Legierungen davon enthalten kann. Die Wendel wird
elektrisch
auf eine Temperatur geheizt, die wesentlich unter der Entzündungstemperatur des
fein verteilten Brennstoffes, wie Methan oder ein anderes gesättigtes Kohlenwasserstoffgas
im Brennstoff-Luft-Gemisch und unter der Rekristallisationstemperatur des katalytischen
Metalls liegt.
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Das besondere Kennzeichen der Zündvorrichtung nach der Erfindung ist,
daß eine Drahtwendel ihrerseits in Doppelwendel- oder sonst passende Form gebracht
wird, in welcher die Achse der ersten Wendel wesentlich von der Geraden abweicht,
das heißt: Man bildet zuerst eine primäre Wendel von kleinem Durchmesser und wickelt
diese dann zum Beispiel zu einer Wendel von größerem Durchmesser auf, was dann die
Struktur einer Doppelwendel ergibt.
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In der Zeichnung sind drei beispielsweise Ausführungsformen von Zündvorrichtungen
gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. i ein Schema eines Zündsystems,
welches die Zündvorrichtung enthält, Fig. 2 eine Seitenansicht in größerem Maßstab
einer Zündvortichtung nach der Erfindung in schematischer Darstellung, Fig. 3 und
4 ähnliche Ansichten von zwei weiteren Ausführungsformen der Zündvorrichtung.
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In Fig. i ist die Zündvorrichtung i nur schematisch innerhalb eines
doppelten Flammenrückschlagsystems dargestellt. Die zu entzündenden Brenner sind
mit 2 und 2' bezeichnet. Ein gasförmiges Gemisch, welches aus den Flammenrückschlagöffnungen
3 und 3' strömt, tritt in die beiden Flammenrückschlagrohre 4 und 4' ein und fließt
zur Zündvorrichtung i, wo es bei Berührung entzündet wird. Die Flamme zieht sich
dann in der Art eines Rückschlages durch die Flammrohre 4 und 4' bis zu den Flammenöffnungen
3 und 3' zurück und erzeugt dbrt ständig brennende Flammen, welche das Gas, das
durch die Brenner 2 und 2' fließt, entzünden. Während in dieser Fig. i eine Einheit
mit zwei Brennern dargestellt ist, ist es klar, daß das gleiche Prinzip auch zur
Zündung vqn anderen Mehrfachbrennereinheiten oder eines einzelnen Brenners angewandt
werden kann.
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Nach den Fig. 2, 3 und 4 besteht die Zündvorrichtung selbst aus einem
gewendelten Draht 5 aus katalytischem Metall, z. B. aus Platin, oder aus einem anderen
Metall der Platingruppe oder aus einer Legierung davon, welcher in eine sekundäre
Form gebracht wird, die eine gewundene Struktur von verschiedener Form aufweist.
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In Fig. 2 ist diese Struktur als Doppelwendel mit mehreren Windungen
gezeigt und in Fig. 3 als eine Mehrzahl von V-Bogen und in Fig. 4 als eine Mehrzahl
von einfachen Bogen, die mindestens ein $-förmiges Stück bilden. Die Strukturen,
die in Fig. 2 bis 4 dargestellt sind, sind als Beispiele gedacht; es sind auch andere
gewundene Formen und Strukturen des fein gewundenen Drahtes möglich, wie zum Beispiel
eine einfache Schleife.
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Die Doppelwendel, in welcher eine dicht gewundene primäre Wendel von
kleinem Durchmesser in die Form einer sekundären Wendel mit Windungen von größerem
Durchmesser im Vergleich zu dem Durchmesser der Windungen der primären gewickelt
wird, sowie andere solche gewundene Strukturen, wie die dargestellten, sind der
Art nach Heterophasenkatalysatoren, in welchen die Reaktion in einer ersten Phase
beginnt und dann bis zur Zündung in einer zweiten Phase beschleunigt wird, dies
mit Hilfe der Phase, in welcher die Reaktion beginnt.
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Der Draht der Zündvorrichtung selbst muß einen sehr kleinen Durchmesser
haben, von der Größenordnung zwischen dem Minimum von ungefähr 0,025 mm und
dem Maximum von ungefähr 0,076 mm. Die primäre Wendel kann einen inneren
Durchmesser von zwischen ungefähr 0,051 mm und ungefähr 0,38 mm haben
sowie eine Windungsdichte von zwischen ungefähr 20 und r60 Windungen pro Zentimeter.
Ungefähr 2o umfaßt den Bereich von 12 bis 28, ungefähr i60 heißt i40 bis i80. Die
sekundäre Wendel kann einen inneren Durchmesser von zwischen ungefähr
0,25 und ungefähr 2,5 mm haben. Wenn zum Beispiel ein Draht von 0,o25 oder
0,05 mm Durchmesser verwendet wird, so kann die primäre Wendel aus einer
großen Zahl von engen Windungen, z. B. in der Größenordnung von 54 Windungen pro
Zentimeter, bestehen, wobei die Windungen einen inneren Durchmesser von 0,o76 mm
haben, während die sekundäre Wendel mit mindestens zwei oder mehr Windungen einen
inneren Durchmesser von ungefähr o,89 mm hat. Die Zündvorrichtung wird elektrisch,
durch Widerstandsheizung auf eine Temperatur geheizt, welche wesentlich unter der
Entzündungstemperatur des strömenden Brennstoff-Luft-Gemisches und unter der Rekristallisationstemperatur
des Metalls der Struktur liegt. Eine solche Heizung kann mit einem äußerst kleinen
Strom von niedriger Spannung und kleiner Stromstärke erreicht werden. Bei Berührung
mit dem strömenden Brennstoff-Luft-Gemisch beginnt sofort die Reaktion und wird
beinahe augenblicklich zur Zündung beschleunigt, wobei die Temperatur der Zündvorrichtung
steigt, und worauf das brennende Gas aus der Berührung mit der Zündvorrichtung entfernt
wird, z. B. durch ein Flammenrückschlagsystem oder sonstwie. Die elektrische Kraftquelle
ist mit 6 bezeichnet und kann entweder eine Batterie sein oder die Kraftleitung
mit einem Transformator und/oder Widerständen im Stromkreis, zur Anpassung. Leiterdrähte
7 und 7' führen zur Zündvorrichtung I, welche die Form eines Steckers haben kann,
auf welchem die katalytische Drahtstruktur befestigt ist.
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Im obenerwähnten Hauptpatent ist das Heterophasenprinzip der katalytischen
Zündvorrichtung genauer erklärt, in welchem die Reaktion in einer ersten, der ,primären
Phase beginnt, welche ihrerseits rasch zur sekundären Phase aufheizt, in welcher
dann die flammenlose Reaktion der primären Phase zur Flammenbildung und Entzündung
beschleunigt wird. Im vorliegenden Fall arbeitet die Zündvorrichtung in ähnlicher
Weise nach diesem Heterophasenprinzip. Bei der Bildung der sekundären Wendel oder
von ähnlichem werden die ursprünglich gleichförmigen Abstände zwischen den Windungen
der primären Wendel ungleichförmig gemacht, indem die inneren Teile der primären
Wendel näher zusammenkommen und die äußeren Teile sich voneinander entfernen, so
daß eine stark unterschiedliche Struktur entsteht, in welcher zahlreiche Abschnitte
mit engen Windungsabständer,
welche der Arbeit in der primären Phase
angepaßt sind, abwechselnd mit zahlreichen Abschnitten mit weiteren Windungsabständen,
welche der Arbeit in der sekundären Phase angepaßt sind, und welche so dem berührenden
Brennstoff-Luft-Gemisch eine große Zahl von Einleitungspunkten für die primäre Phase
der Reaktion bieten, sowie daran anstoßende Gebiete, in welchen die Anfangsreaktion
in der sekundären Phase bis zur Entzündung beschleunigt werden kann.
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Schon eine bloße Biegung oder Schleife der Wendel kleinen Durchmessers
bildet eine wirksame automatische Zündvorrichtung, obwohl die vorzuziehende Form
der Zündvorrichtung eine Form ist, in welcher die primäre Wendel zu einer größeren
Doppelwendel gewickelt ist.
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Die 1_'berlegenheit derZündvorrichtunggemäß dieser Erfindung über
andere elektrisch geheizte Zündvorrichtungen und über andere Typen von solchen Heterophasen-Zündvorrichtungen
wird beim Gebrauch offenbar.
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Beispiel Ein o,o5i mm starker Draht, der zu einer primären Wendel
vom inneren Durchmesser 0,127 mm und von der Windungs lichte 54 Windungen
pro Zentimeter gewickelt wurde, welche ihrerseits in eine sekundäre Wendel von zwei
oder drei Windungen und von einem inneren Durchmesser von ungefähr o,89 mm gewickelt
wurde, entzündete zuverlässig Methan in einem strömenden Methan-Luft-Gemisch, wenn
er geheizt wurde mit zwischen ungefähr 0,25 Watt und o,6 Watt, bei einer
Spannung von zwischen 1,3 Volt und 2,5 Volt und einem Strom von zwischen 0,2 und
0,225 Amp. Eine einfache, gerade Wendel wäre nicht imstande, :Methan unter
solchen oder ähnlichen Bedingungen zu entzünden. Eine ähnliche Zündvorrichtung in
der Form einer gewundenen Struktur nach Fig. 3 oder 4 arbeitet in ähnlicher Weise.
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Beispiel Eine Zündvorrichtung aus o,o5i mm starkem Draht, welcher
in eine primäre Wendel mit einem inneren Durchmesser von 0,r2 mm und von einer Windungsdichte
von 54 Windungen pro Zentimeter gewickelt wurde, welche ihrerseits in die W-Struktur
gemäß Fig. 3 gebracht wurde, und die mit 0,5 Watt oder 1,9 Volt bei
0,26 Amp. geheizt wurde, entzündete Methan im obenerwähnten Methan-Luft-Gemisch
sofort. Die S-Struktur nach Fig. 4 verbraucht bei gleicher Anwendung etwas mehr
Energie, z. B. 0,55 Watt oder 0,29 Amp. bei 1,9 Volt für eine Wendel nachobigen
Daten.
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Die Zahl der Windungen der sekundären Wendel kann verschieden sein,
wobei aber mindestens zwei Windungen vorhanden sind. Normalerweise ist es sicherer,
drei oder vier Windungen anzuwenden, und, j wenn es gewünscht wird, können auch
mehr Windungen in der sekundären Wendel enthalten sein. Die Spannung und die Stromstärke
des elektrischen Heizstromes und die totale Leistungsaufnahme in Watt müssen genügend
klein sein, je nach dem Drahtdurchmesser, um die Temperatur der Wendel auf dem angegebenen
niedrigen M'ert zu halten. Im allgemeinen wird die Zündvorrichtung nicht glühen,
wenn sie nicht mit dem strömenden Brennstoff-Luft-Gemisch in Berührung steht, obschon
zwar ein leichtes Glühen in manchen Fällen auftreten kann.
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Das Katalysatormetall, aus welchem der Draht oder mindestens die Oberfläche
des Drahtes besteht, ist im allgemeinen Platin oder eine Legierung von Platin mit
einem anderen Metall der Platingruppe, z. B. Legierungen von Platin und Rhodium
oder von Platin und Iridium, wobei der Platingehalt normalerweise mindestens 8o0/0
oder go°/o der Legierung ist, oder mit einem oder mehreren anderen püssenden Metallen,
z. B. Nickel, Wolfram usw. Das Material des Drahtes kann in der Form eines gesinterten
Agglomerates des oder der Katalysatormetalle sein, mit oder ohne anderen Metallen
wie Wolfram und vorzuziehenderweise mit einem kleinen Prozentsatz oder einem Bruchteil
eines Prozentes von darin verteiltem feuerfestem Oxyd, wie'z. B. Thoriumoxyd, Berylliumoxyd
usw. Der Querschnitt des Drahtes kann irgendeine beliebige Form haben, wird aber
im allgemeinen kreisförmig sein. Zum Wickeln der ersten Wendel bei der Bildung der
Zündvorrichtungsstruktur kann auch Litzendraht verwendet werden, in diesem Falle
soll dann die gesamte Dicke der aus einzelnen Drähten zusammengesetzten Litze dem
elektrischen Widerstande nach derjenigen des oben beschriebenen Drahtes entsprechen,
jedoch müssen in diesem Falle die einzelnen Drähte nicht unbedingt aus demselben
Metall zusammengesetzt sein, sondern sie können aus verschiedenen Metallen oder
Zusammensetzungen bestehen.
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Versuche mit der Zündvorrichtung haben gezeigt, daß sie anderen Zündvorrichtungen
sogar bei der Zündung von Stadtgas oder sogenannten fabriziertem Gas, welches einen
gewissen Anteil von Wasserstoff enthält, weit überlegen ist. Es wurde gefunden,
daß bei der Zündung von solchem Gas mit Hilfe der Zündvorrichtung der Verbrauch
elektrischer Leistung bis zum Erreichen der Zündung im allgemeinen etwa 15% niedriger
war im Vergleich zu einer sonst ähnlichen, einfachen, geraden Wendel. Der bedeutendste
Unterschied wird jedoch bei der Anwendung der Zündvorrichtung zur Zündung von solchem
Gas in einer Mehrfachbrennereinheit festgestellt, denn bei einer solchen Anordnung,
wie sie z. B. in Fig. i dargestellt ist, mischen sich die Verbrennungsprodukte,
die von einer schon entzündeten Flammenöffnung, z. B, 3, durch das Rückschlagflammrohr
4 fließen und bis zur Zündvorrichtung i vordringen mit dem zu entzündenden Gasstrom,
welcher von der Flammenöffnung 3' durch das Rückschlagflammrohr 4' fließt und neigen
dazu, die Zündvorrichtung auszulöschen und so die zweite Zündung zu stören. Eine
einfache gerade Wendel wird dann leicht unzuverlässig oder langsamer im Zündvorgang
als eine Wendel gemäß vorliegender Erfindung. Die viel größere Zuverlässigkeit der
vorliegenden Zündvorrichtung bei der Anwendung zum Zünden von zwei oder mehr Brennern,
zusammen oder nacheinander, ist von größter Wichtigkeit für eine maximale Sicherheit.
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Die Brennstoff-Luft-Gemische in den beschriebenen Versuchen entstanden
durch einen Brennstoffstrahl, z. B. aus Methan, der durch Düsen in Luft geblasen
wurde
und sind als normale Gemische, wie man sie in praktischen Systemen wie Gasherdbrennern
antrifft. Die Flammen hatten die charakteristische blaue Farbe. Die Drücke des Brennstoffstrahles
wurde in weiten Grenzen variiert, so wie sie in der Heizpraxis angetroffen werden.
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Die Art der Verbindung der Zündvorrichtung mit der elektrischen Kraftquelle
ist beliebig. In Fig. i ist eine besonders günstige Art der Befestigung der Zündvorrichtung
und ihrer Verbindung mit der elektrischen Kraftquelle,dargestellt. Der Zuleitungsdraht
7' ist mit einer Metallhülse 8 verbunden, welche auf einem isolierten Sockel 9 montiert
ist, und derZuführungsdraht 7 steht in Verbindung mit dem Kontakt io, der die Form
einer Buchse hat, im Sockel 9 montiert und gegen die Metallhülse 8 elektrisch isoliert
ist. Die Zündvorrichtung ist zwischen den Leitern ii und ii' befestigt, welche auf
der Kappe 12 angebracht sind, wobei der Leiter ii' mit der Kappe 12 verlötet oder
sonst in metallischen Kontakt damit ist, während der Leiter ii von der Kappe isoliert
mit Hilfe der Büchse 13 in einer metallischen rohrförmigen Verlängerung 14 endigt.
Die Kappe 12 wird in der Hülse 8 hinuntergepreßt und bringt so den Zuleitungsdraht
7' in Verbindung mit dem Leiter ii' und den Leiter ii in Kontakt mit der Kontaktbuchse
io und dadurch mit dem Zuleitungsdraht 7. Dabei wird die ganze Einheit zusammengehalten
durch die Reibung der Kappe 12 über der Hülse 8 und der Röhre 14 in der Buchse io.
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Die Zündvorrichtung kann im Haushalt oder in der Industrie verwendet
werden an Geräten wie Herden, Ofen, Heizungen usw., und zwar entweder direkt, wie
z. B. bei Herdbrennern oder indirekt wie z. B. bei Herdbackofen oder Heizungen.
Sie kann auch in Instrumenten oder anderen Vorrichtungen verwendet werden, wo immer
es erwünscht ist, ein Gas-Luft- oder Brennstoff-Luft-Gemisch zu entzünden. Die elektrische
Kraftquelle kann das Netz sein, mit einem vorgeschalteten Widerstand oder Transformator,
oder eine Batterie, wie es gewünscht wird. Die elektrische Heizung der Zündvorrichtung
kann dauernd sein oder auf die Zeiten der Anwesenheit von Brennstoff-Luft-Gemisch,
welches entzündet werden soll, beschränkt werden. Wie im Hauptpatent, wird das Brennstoff-Luft-Gemisch
aus der Berührung mit der Zündvorrichtung entfernt, nachdem die Zündung stattgefunden
hat, wie z. B. mit Hilfe des Flammenrückschlagsystems. Die Zündvorrichtung kann
auch angewendet werden zur Zündung eines Gases, welches dann seinerseits zur Zündung
eines anderen Brennstoffes gebraucht wird, der direkt zu schwierig zu entzünden
ist oder dessen Entzündung zu unzuverlässig wäre.