EP1696174B1 - Verdampferanordnung, insbesondere für ein Fahrzeugheizgerät oder einen Reformer - Google Patents

Verdampferanordnung, insbesondere für ein Fahrzeugheizgerät oder einen Reformer Download PDF

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EP1696174B1
EP1696174B1 EP06001352.1A EP06001352A EP1696174B1 EP 1696174 B1 EP1696174 B1 EP 1696174B1 EP 06001352 A EP06001352 A EP 06001352A EP 1696174 B1 EP1696174 B1 EP 1696174B1
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EP
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evaporator
heating element
evaporator assembly
medium
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Wolfgang Pfister
Norbert Gimpel
Karl-Heinz Sachs
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Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
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Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D3/00—Burners using capillary action
    • F23D3/40—Burners using capillary action the capillary action taking place in one or more rigid porous bodies

Definitions

  • the present invention relates to an evaporator assembly for a vehicle heater or reformer, comprising a metal support, an evaporator medium carried on the support, and a heating element.
  • Such evaporator arrangements are used, for example, in so-called evaporator burners, in order to be able to distribute this liquid fuel by introducing the initially liquid fuel into the usually porous evaporator medium due to the capillary action in the volume range of the porous evaporator medium and to be able to evaporate over a comparatively large surface area.
  • the shell-like support is generally constructed of metal material, so for example made of sheet metal.
  • an electrical heating element, the carrier and the evaporator medium are sandwiched on one another.
  • the support is usually designed to be relatively thin, so that it thermally deforms during temperature changes. This can lead to voids between the carrier and the heating element, resulting in poorer contact between the heating element and the carrier result.
  • the strength of the carrier could be improved, but at the same time the thermal mass would thereby also increased, whereby the carrier would heat up slower and thus the evaporation of the fuel would take place more slowly after a start of the evaporator assembly.
  • the US 2004/0173692 A1 discloses an evaporator arrangement in which a porous evaporator medium is provided on a cup-shaped carrier on a side facing a combustion chamber to be positioned. At the rear side, that is, the side facing away from the combustion chamber side of the carrier, a evaporation heating element designed as a heating conductor is arranged in a recess provided for this purpose.
  • the US 4,611,985 A discloses an evaporator which, on the side of a carrier facing a combustion chamber, on which side also a porous evaporator medium is arranged, has a pin-like projection which absorbs heat during combustion operation and conducts it to the carrier which applies the porous evaporator medium.
  • the EP 1 484 552 A1 discloses an evaporator assembly in a vehicle heater wherein a plate member disposed opposite to a porous evaporator medium and heatable by an electrically energizable heater comprises a pin-like projection passing through the porous evaporator medium which serves locally in the region of the combustion chamber in a starting phase high temperatures produce that ignition occurs.
  • a vehicle heater with an evaporator assembly in which a porous evaporator element is provided on the side facing a combustion chamber side of a carrier constructed of ceramic material.
  • an electrically energizable heating element is arranged, which is covered on its side facing away from the carrier by a potting compound.
  • an evaporator assembly for a vehicle heater or a reformer is provided, as defined in claim 1.
  • the inventive material-locking connection of the heating element with the metal carrier ensures good heat transfer from the heating element to the carrier even when the carrier is thermally deformed. That is, in the evaporator arrangement according to the invention, a consistently good evaporation performance can be ensured and the energy introduced can be reduced by the good heat transfer with the same effect, since less losses occur.
  • heating element it is conceivable to connect the heating element to the carrier by means of a temperature-resistant adhesive or by welding, but it is particularly preferred that the heating element is materially connected to the carrier by soldering or Ansintern.
  • the heating element comprises an electrically operated wound heating conductor.
  • the heating element designed as a heating element is arranged on the side facing away from the evaporator medium side of the carrier, whereby the heating element does not come directly into contact with the fuel in the evaporator medium in contact and a more uniform heat distribution in the evaporator medium is achieved.
  • the present invention provides a method for producing an evaporator arrangement according to claim 4
  • the material-locking connection of the heating element with the carrier can be carried out simultaneously with a soldering process for connecting a fuel inlet pipe to the evaporator arrangement, so that no additional operation for the installation of the heating element is required.
  • Fig. 1 is an evaporator assembly for an evaporator burner of a vehicle heater or for a reformer generally designated 10.
  • This evaporator assembly 10 comprises a flame tube 12, in which a combustion chamber housing 14 is arranged, into which, for example, via the openings 16 combustion air is introduced.
  • liquid fuel is introduced into an evaporator arrangement 20 arranged in the combustion chamber housing 14.
  • the evaporator arrangement 20 is fastened, for example by means of a securing ring 28 to the combustion chamber housing 14 and comprises a cup-shaped carrier 22, in which a porous evaporator medium 24 is arranged.
  • the carrier 22 is made of metal, for example, from sheet metal.
  • the evaporator medium 24 may comprise interconnected regions 24a, 24b, which may, for example, due to different pore size for a uniform distribution of the fuel as possible.
  • At the side remote from the evaporator medium 24 side of the carrier 22 designed as a wound heating conductor heating element 26 is arranged.
  • the liquid fuel introduced into the evaporator arrangement 20 through the fuel inlet pipe 18 is distributed in the porous evaporator medium 24, which in turn is heated by the heating element 26, so that the liquid fuel in the evaporator medium 24 is evaporated.
  • the heating element 26 is connected by solder joints 30 materially connected to the carrier 22. These solder joints 30 are preferably mounted substantially along the entire length of the heating element 26. In the manufacture of the evaporator assembly 10, these solder joints 30 can be made in the same operation as connecting the carrier 22 to the fuel inlet pipe 18.
  • the heat-conducting cross section between the heating element 26 and the carrier 22 is significantly improved by the solder joints 30, since the original line contact between these two components is replaced by a flat contact.
  • the two components are so firmly connected to each other by the solder joints 30 that thermal or mechanical deformation of the carrier 22, the heat-conducting connection between the heating element 26 and the carrier 22 can not deteriorate. Since no soiling and deposits can form between the heating element 26 and support 22 in the evaporator arrangement 20 according to the invention, the heat-conducting connection is ensured over the entire service life of the evaporator arrangement 20.
  • the introduced electrical energy can be reduced for a constant evaporation performance, since less heat transfer losses and heat flow occur clearer direction is given.
  • connection of the heating element 26 to the support 22 could be made by a heat-resistant and thermally conductive adhesive, by welding or by sintering.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampferanordnung für ein Fahrzeugheizgerät oder einen Reformer, umfassend einen Träger aus Metall, ein an dem Träger getragenes Verdampfermedium und ein Heizelement.
  • Derartige Verdampferanordnungen werden beispielsweise in so genannten Verdampferbrennern eingesetzt, um durch Einleitung des zunächst flüssigen Brennstoffs in das in der Regel poröse Verdampfermedium diesen flüssigen Brennstoff auf Grund der Kapillarförderwirkung im Volumenbereich des porösen Verdampfermediums zu verteilen und über einen vergleichsweise großen Oberflächenbereich verdampfen zu können. Bei derartigen bekannten Verdampferanordnungen ist im Allgemeinen der schalenartige Träger aus Metallmaterial aufgebaut, also beispielsweise aus Blech. Hierbei liegen in der Regel ein elektrisches Heizelement, der Träger und das Verdampfermedium sandwichartig aufeinander. Der Träger ist meist relativ dünn ausgeführt, so dass er sich bei Temperaturwechsel thermisch bedingt verformt. Dadurch kann es zu Hohlräumen zwischen dem Träger und dem Heizelement kommen, was einen schlechteren Kontakt zwischen dem Heizelement und dem Träger zur Folge hat.
  • Durch eine Erhöhung der Wandstärke des Trägers könnte zwar grundsätzlich die Festigkeit des Trägers verbessert werden, aber gleichzeitig würde hierdurch auch die thermische Masse erhöht, wodurch sich der Träger langsamer erwärmen würde und somit die Verdampfung des Brennstoffs direkt nach einem Start der Verdampferanordnung langsamer erfolgen würde.
  • Die US 2004/0173692 A1 offenbart eine Verdampferanordnung, bei der an einem schalen- bzw. topfartigen Träger an einer einer Brennkammer zugewandt zu positionierenden Seite ein poröses Verdampfermedium vorgesehen ist. An der Rückseite, also der von der Brennkammer abgewandten Seite des Trägers ist in einer dafür vorgesehenen Einsenkung ein als Heizleiter ausgebildetes Verdampfungsheizelement angeordnet.
  • Die US 4 611 985 A offenbart einen Verdampfer, welcher an der einer Brennkammer zugewandten Seite eines Trägers, an welcher Seite auch ein poröses Verdampfermedium angeordnet ist, einen stiftartigen Vorsprung aufweist, der im Verbrennungsbetrieb Wärme aufnimmt und diese auf den das poröse Verdampfermedium auftragenden Träger leitet.
  • Die EP 1 484 552 A1 offenbart eine Verdampferbaugruppe in einem Fahrzeugheizgerät, bei weicher ein Brennkammerabgewandt bezüglich eines porösen Verdampfermediums angeordnetes Plattenteil, welches auch durch eine elektrisch erregbare Heizeinrichtung erwärmbar ist, einen das poröse Verdampfermedium durchsetzenden stiftartigen Vorsprung aufweist, der dazu dient, in einer Startphase lokal im Bereich der Brennkammer so hohe Temperaturen zu erzeugen, dass eine Zündung erfolgt.
  • Aus der nachveröffentlichten EP 1 568 525 A1 ist ein Fahrzeugheizgerät mit einer Verdampferbaugruppe bekannt, bei welcher an der einer Brennkammer zugewandten Seite eines aus Keramikmaterial aufgebauten Trägers ein poröses Verdampferelement vorgesehen ist. An der von der Brennkammer abgewandten Seite dieses Trägers ist ein elektrisch erregbares Heizelement angeordnet, das an seiner von dem Träger abgewandten Seite durch eine Vergussmasse überdeckt ist.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdampferanordnung bereitzustellen, welche eine erhöhte thermische Effizienz aufweist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Verdampferanordnung für ein Fahrzeugheizgerät oder einen Reformer, bereitgestellt, wie sie im Anspruch 1 definiert ist.
  • Durch die erfindungsgemäße materialschlüssige Verbindung des Heizelements mit dem Träger aus Metall wird eine gute Wärmeübertragung vom Heizelement zum Träger selbst dann sichergestellt, wenn sich der Träger thermisch bedingt verformt. D.h., dass bei der erfindungsgemäßen Verdampferanordnung eine gleich bleibend gute Verdampfungsleistung sichergestellt werden kann und durch die gute Wärmeübertragung die eingebrachte Energie bei gleicher Wirkung reduziert werden kann, da weniger Verluste auftreten.
  • Es ist denkbar, das Heizelement mit dem Träger mittels eines temperaturbeständigen Klebstoffs oder durch Schweißen zu verbinden, es wird allerdings besonders bevorzugt, dass das Heizelement mit dem Träger durch Löten oder Ansintern materialschlüssig verbunden ist.
  • Vorzugsweise umfasst das Heizelement einen elektrisch betriebenen gewundenen Heizleiter. Weiterhin ist das als Heizleiter ausgebildete Heizelement an der von dem Verdampfermedium abgewandten Seite des Trägers angeordnet, wodurch das Heizelement nicht direkt mit im Verdampfermedium sich befindlichen Brennstoff in Berührung kommt und eine gleichmäßigere Wärmeverteilung im Verdampfermedium erreicht wird.
  • Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verdampferanordnung bereit gemäß Anspruch 4
  • Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann das materialschlüssige Verbinden des Heizelements mit dem Träger gleichzeitig mit einem Lötvorgang zum Verbinden eines Brennstoffeintrittsrohrs mit der Verdampferanordnung erfolgen, so dass kein zusätzlicher Arbeitsgang für die Installation des Heizelements erforderlich ist.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Verdampferanordnung;
    Fig. 2
    eine vergrößerte Ansicht des in Fig. 1 mit II bezeichneten Bereichs.
  • In Fig. 1 ist eine Verdampferbaugruppe für einen Verdampferbrenner eines Fahrzeugheizgerätes oder für einen Reformer allgemein mit 10 bezeichnet. Diese Verdampferbaugruppe 10 umfasst ein Flammrohr 12, in dem ein Brennkammergehäuse 14 angeordnet ist, in welches beispielsweise über die Öffnungen 16 Verbrennungsluft eingeleitet wird.
  • Über ein Brennstoffeintrittsrohr 18 wird flüssiger Brennstoff in eine im Brennkammergehäuse 14 angeordnete Verdampferanordnung 20 eingeleitet. Die Verdampferanordnung 20 ist beispielsweise mittels eines Sicherungsrings 28 am Brennkammergehäuse 14 befestigt und umfasst einen schalenförmigen Träger 22, in dem ein poröses Verdampfermedium 24 angeordnet ist. Der Träger 22 ist aus Metall hergestellt, beispielsweise aus Blech. Das Verdampfermedium 24 kann miteinander verbundene Bereiche 24a, 24b umfassen, die beispielsweise aufgrund von unterschiedlicher Porengröße für eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs sorgen können. An der von dem Verdampfermedium 24 abgewandten Seite des Trägers 22 ist ein als ein gewundener Heizleiter ausgebildetes Heizelement 26 angeordnet. Der durch das Brennstoffeintrittsrohr 18 in die Verdampferanordnung 20 eingeleitete flüssige Brennstoff verteilt sich im porösen Verdampfermedium 24, das seinerseits durch das Heizelement 26 erwärmt wird, so dass der flüssige Brennstoff im Verdampfermedium 24 verdampft wird.
  • Wie in Fig. 2 vergrößert gezeigt, ist das Heizelement 26 durch Lötverbindungen 30 materialschlüssig mit dem Träger 22 verbunden. Diese Lötverbindungen 30 sind vorzugsweise im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Heizelements 26 angebracht. Bei der Herstellung der Verdampferbaugruppe 10 können diese Lötverbindungen 30 im gleichen Arbeitsgang wie eine Verbindung des Trägers 22 mit dem Brennstoffeintrittsrohr 18 hergestellt werden.
  • Durch die Lötverbindungen 30 wird der wärmeleitende Querschnitt zwischen dem Heizelement 26 und dem Träger 22 deutlich verbessert, da die ursprüngliche Linienberührung zwischen diesen beiden Bauteilen durch eine flächige Berührung ersetzt wird. Außerdem sind durch die Lötverbindungen 30 die beiden Bauteile so fest miteinander verbunden, dass thermische oder mechanisch bedingte Verformungen des Trägers 22 die wärmeleitende Verbindung zwischen dem Heizelement 26 und dem Träger 22 nicht verschlechtern können. Da sich zwischen Heizelement 26 und Träger 22 bei der erfindungsgemäßen Verdampferanordnung 20 keinerlei Verschmutzungen und Ablagerungen bilden können, ist die wärmeleitende Verbindung über die gesamte Lebensdauer der Verdampferanordnung 20 gesichert. Hierdurch kann die eingebrachte elektrische Energie für eine gleich bleibende Verdampfungsleistung reduziert werden, da weniger Verluste bei der Wärmeübetragung auftreten und dem Wärmestrom eine eindeutigere Richtung vorgegeben ist.
  • Alternativ könnte anstelle der Lötverbindungen auch eine Verbindung des Heizelements 26 mit dem Träger 22 durch einen wärmebeständigen und wärmeleitenden Klebstoff, durch Schweißen oder durch Ansintern erfolgen.

Claims (4)

  1. Verdampferanordnung (20) für ein Fahrzeugheizgerät oder einen Reformer, umfassend einen Träger (22) aus Metall, ein an dem Träger (22) getragenes Verdampfermedium (24) und ein als elektrisch betriebener Heizleiter ausgebildetes Heizelement (26), das an der von dem Verdampfermedium (24) abgewandten Seite des Trägers (22) angeordnet ist, wobei das Heizelement (26) mit dem Träger (22) materialschlüssig verbunden ist.
  2. Verdampferanordnung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (26) mit dem Träger (22) durch Löten oder Ansintem materialschlüssig verbunden ist.
  3. Verdampferanordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (26) einen gewundenen Heizleiter (26) umfasst.
  4. Verfahren zur Herstellung einer Verdampferanordnung (20), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte:
    - Bereitstellen eines Trägers (22) aus Metall mit einem daran getragenen Verdampfermedium (24),
    - Bereitstellen eines als elektrisch betriebenen Heizleiter ausgebildeten Heizelements (26) an der von dem Verdampfermedium (24) abgewandten Seite des Trägers (22),
    - materialschlüssiges Verbinden des Heizelements (26) mit dem Träger (22), vorzugsweise durch Löten.
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