EP3617598B1 - Verstärkte brennerelektrode - Google Patents

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EP3617598B1
EP3617598B1 EP18191077.9A EP18191077A EP3617598B1 EP 3617598 B1 EP3617598 B1 EP 3617598B1 EP 18191077 A EP18191077 A EP 18191077A EP 3617598 B1 EP3617598 B1 EP 3617598B1
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EP
European Patent Office
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burner
cavities
central part
electrode
electrode according
Prior art date
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EP18191077.9A
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English (en)
French (fr)
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EP3617598A1 (de
Inventor
Ralf Drechsel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Paul Rauschert Steinbach GmbH
Original Assignee
Paul Rauschert Steinbach GmbH
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Publication date
Application filed by Paul Rauschert Steinbach GmbH filed Critical Paul Rauschert Steinbach GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q3/00—Igniters using electrically-produced sparks
    • F23Q3/006—Details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/12—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using ionisation-sensitive elements, i.e. flame rods

Definitions

  • the present invention relates to a burner electrode with a lower shaft part, a middle part adjoining the shank part at one end, and an electrode tip adjoining the other end of the middle part, at least the electrode tip and at least one section of the middle part adjoining the electrode tip being made of a high-temperature-resistant material .
  • Such burner electrodes are typically known from gas burners for heating, such as are used, for example, in households or in larger systems for igniting and / or monitoring a gas burner for heating. Such burner electrodes are typically arranged in a gas burner directly next to a burning surface and they are used to generate a spark at the start of a burning process, by which a gas flame is ignited or the presence of a flame is detected.
  • the electrode is necessarily arranged in the immediate vicinity of the focal surface and loses stability due to the strong and continuous heating.
  • the wire can therefore be deformed by its own weight and by external influences.
  • Replacing the electrode is costly. However, a loss of comfort is particularly important if the electrode and thus the heating fail (e.g. on a cold winter night) and an expensive service call is incurred (labor costs, travel ). For this reason, one tries to make the electrode as reliable as possible so that it can survive an interval of two years or more. In this way, the electrode can be exchanged without failure during regular maintenance.
  • the burner electrode is consequently exposed to very large and changing thermal loads, and thus also mechanical loads.
  • Such a material is comparatively expensive, and the conventional burner electrodes usually consist of a solid wire, the tip of which is regularly reshaped and also eroded.
  • the tip and the middle part of such a burner electrode are exposed to very high temperatures of around 1000 ° C, which leads to strong and rapid wear of the electrode tip both due to the sparkover required during ignition and in the course of other operation.
  • Such burner electrodes must therefore be replaced relatively frequently.
  • an exchange of a burner electrode is also relatively expensive because of the refractory, expensive material used for the burner electrodes.
  • a burner electrode with an insulator is known, the insulator having cavities in one section and being structurally stabilized in this section by struts between the cavities.
  • a burner electrode which has longitudinally extending ribs which reinforce the burner electrode.
  • the present invention is based on the object of creating a burner electrode which has a significantly improved durability and at the same time requires as little as possible of the relatively expensive, refractory material for its manufacture.
  • the central part of the burner electrode has cavities, has a larger external cross-section than the electrode tip, and is structurally stabilized by partition walls or struts between the cavities, the section of the central part having cavities at least partially from layered heating and targeted local heating melted and / or sintered material.
  • the middle part which is also made of a refractory material, requires less material for its manufacture because of the cavities in this middle part, but at the same time is a stable and solid part due to the spaces and struts, which has a relatively long service life and high mechanical stability, so that the Electrode does not need to be replaced as often.
  • the middle part can have an inner lattice, framework, bone, sponge or foam structure.
  • the aforementioned structures combine good stability with low material consumption.
  • the interior of bones often consists of a light structure of interconnected struts, which are predominantly oriented in the direction of the forces to be absorbed, but at the same time are also interconnected, and the central part of a burner electrode can in particular have such a bone structure.
  • the other aforementioned structures also offer sufficient stability with low material consumption and a lattice or framework structure is possibly easier to produce than a bone structure. All of the aforementioned structures have in common that they either have mutually closed or interconnected cavities, the walls or struts between the cavities ensuring mechanical stability and the cavities themselves do not require any material.
  • the middle part can in particular have a closed outer surface, which makes this middle part less susceptible to environmental influences, in particular less susceptible to attacks by fuel or exhaust gas.
  • the middle part can be thickened in a bulged manner, in particular with respect to the electrode tip, but optionally also with respect to the shaft part.
  • a gradual transition from the shaft part and also from the electrode tip to the bulbous thickening of the central part can take place smoothly and without steps, which in turn also serves the mechanical stability of the central part.
  • the shaft part which in a typical installation of the Electrode in a combustion chamber is further away from the flames of the combustion chamber and the areas of high temperatures does not necessarily have to consist of the refractory material, but can be made of its cheaper material, in particular steel or stainless steel, a material which is preferred can be connected to the refractory material by sintering or welding. Otherwise, the shaft part could also be connected to the middle part by a form fit, for example via a pin provided on one of the two parts which fits into a matching cavity on the other of the two parts.
  • the section of the central part that has cavities consists at least partially of material applied in layers and melted or sintered by means of targeted local heating.
  • This manufacturing technique for complex shapes is known per se, whereby a layer of a powder is applied to a substrate and then melted or sintered together, for example with the aid of a laser, along predetermined structural paths, with a further layer of powder made from the refractory material or its alloy components the already sintered structure is applied and melted and / or sintered again by means of a laser.
  • the material of the middle part and also of the electrode tip is preferably an iron-chromium-aluminum alloy. Such alloys are known as particularly refractory alloys.
  • the material of the middle part can consist of 15 to 30% chromium, 3 to 8% aluminum and the rest of iron.
  • the alloy material is preferably in powder form.
  • part of the starting material of the alloy is in solid form and part in powder form.
  • one of the alloy components in the form of a solid wire can be passed over the tracks to be sintered and thereby connected to the other alloy components.
  • the material is solid and can in particular differ from the material of the middle part to reduce the cost of production to keep it low.
  • a cavity structure would also be possible for the shaft part.
  • the burner electrode as a whole can be a more or less straight, elongated rod, although variants are preferred in which a central section of the middle part (2) is angled with respect to the electrode tip, with the central section of the middle part also being angled in turn can be angled with respect to the shaft part, preferably in the same direction and in the same plane in which the electrode tip is also angled with respect to the central part.
  • FIG. 1a b one burner electrode 100 each, which consists of a shaft part 1, a middle part 2 and an electrode tip 3.
  • a section 2b of the central part 2 adjoining the electrode tip 3 has a cavity structure designated 2d, which has a plurality of interconnected or separate cavities, which are delimited by partition walls and / or struts that structurally stabilize the central part 2.
  • a lower section 2a of the middle part consists of solid material and has a central stepped bore in which a suitably stepped, peg-like end 1b of the shaft part 1 is received in order to form a positive connection between the shaft part 1 and the middle part 2.
  • the electrode has a higher current carrying capacity per unit area than in the section 2b having cavities, and the current carrying capacity in this area can also be higher overall than in the other sections of the central part 2.
  • the central section of the middle part 2 is angled both with respect to the shaft part 1 and with respect to the electrode tip (3)
  • the burner electrode 100 is mounted in an opening in a combustion chamber wall 7.
  • the shaft part 1 and a lower end of the section 2a of the middle part 2 are arranged in a ceramic sleeve 4, which in turn is held in a mounting plate 5, the mounting plate 5 being attached to the outer wall 7 of the combustion chamber 8 and the ceramic sleeve 4 with the burner electrode 100 being attached extends into the combustion chamber 8.
  • Gas for example, emerges at a schematically illustrated combustion surface 6 of the burner 10, which gas is ignited by generating a spark at the electrode tip 3.
  • a corresponding voltage is generated between the electrode tip 3 and the focal surface 6, the resulting electric field being concentrated at the tip of the electrode tip 3 and this creates a sparkover.
  • a high-voltage connection 9 at the lower end of the shaft 1 and the insulating sleeve 4 is used for the high-voltage supply of the electrode 100 for generating an ignition spark.
  • the flames on the focal surface 6 are shown schematically at 6a.
  • the electrode tip erodes over time and burns as a result of the ignition sparks generated and the exposure to flame gases.
  • the wire diameter can be increased and, in particular, high-temperature-resistant materials can also be used for the electrodes.
  • Electrodes are often made from a single solid wire with shaft part 1, middle part 2 and electrode tip 3, which results in high costs when using a high-temperature-resistant material.
  • the burner electrode 100 according to the invention is structurally optimized in such a way that it has a particularly long service life.
  • the electrode tip 3 consists of solid material
  • the middle part consists predominantly of a material with cavities with struts and / or partitions that give the middle part structural strength
  • the shaft part 1, which is largely accommodated in a ceramic sleeve 4 can either consist of the same high-temperature-resistant material like the middle part 2, or it can also be made of a cheaper material with good electrical conductivity, since the shaft part 1 is mainly accommodated in a protective ceramic sleeve 4, so that it is less exposed to high temperatures and also little or no fuel gases and exhaust gases is applied.
  • the middle part 2 also has a closed outer skin 2c in the section 2b having cavities. Based on the arrangement in a burner according to Figure 3 it can be seen that above all the electrode tip and the adjoining section 2b of the central part 2, which has cavities, is inevitably exposed to the thermal and chemical effects of the flames and exhaust gases.
  • the cavity structure 2d of the middle part 2 gives this section 2b sufficient stability, the interior of the middle part 2 being protected from chemical influences by the closed outer skin 2c and thus being able to ensure the stability of the middle part 2 over the long term.
  • the electrode tip 3 is made of solid material, but can be produced by the same method as the middle part and is to this extent connected in one piece with the middle part.
  • the electrode tip 3 is optimized for generating ignition sparks and for this purpose has a tapering front end from which an ignition spark is detached if necessary when the electrode is subjected to a correspondingly high voltage.
  • the middle part 2 and the electrode tip 3 are preferably produced in one piece by applying layers and local melting or sintering of powder material.
  • a powder material is applied to a substrate or a solid starting piece, which can for example consist of the lower sleeve section 2a, which is then only locally melted or sintered together, for example with the aid of a laser that is guided over the surface under program control, so that the laser builds up the entire spatial structure layer by layer on the basis of corresponding stored structural data by sintering the applied powder layer along the intended wall and strut structures.
  • the corresponding layers are then sintered over their entire surface and connected to one another, so that a solid electrode tip 3 is created.
  • the lower section 2b of the middle part is designed as a hollow body, optionally with a closed end face in order to serve as the starting substrate.
  • the upper end or a pin 1b of a lower shaft part 1 is inserted into the tubular cavity of the section 2b and is connected to the middle part 2 in a gas-tight and / or cohesive manner.
  • the shaft part and the lower section of the middle part are in turn received in a ceramic sleeve 4, which serves as a temperature-resistant and insulating holder when it is mounted in an opening in the wall 7 of a burner 10.
  • the shaft 1 of the electrode has a stepped pin 1b at its tip, which is inserted into a correspondingly stepped receiving opening at the lower end 2a of the central part 2.
  • the shaft 1a has two diametrically opposed, radial projections 1c, the ceramic sleeve 4 in turn having two diametrically opposed grooves 12 on its inside for receiving the projections 1c, as well as on the lower one
  • the end of the grooves also has two groove sections (not visible) running in the circumferential direction, so that the shaft 1 can be locked or fixed in the sleeve 4 in the manner of a bayonet catch.
  • the shaft 1 is thus completely received in the ceramic sleeve 4 and the upper pin section 1b is also encompassed by the lower solid part 2a of the middle part 2 and covered to the outside, whereby the section 2a of the middle part 2 also extends a bit extends into the ceramic sleeve 4.
  • a cavity structure 2d can be seen in section 2b, which, as already mentioned, can be designed differently, e.g. in the form of a tubular or honeycomb structure, a bone structure or a framework structure with struts and / or ribs.
  • the solid lower section 2a continues in the form of a thin surface layer 2c over the entire middle part 2 and thus forms a closed surface 2c of the middle part 2.
  • the electrode tip 3 is again made of a corresponding solid material.
  • the insulating ceramic sleeve 4 is in turn mounted on the wall 7 of the burner 10 with the aid of a fastening flange 5.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennerelektrode mit einem unteren Schaftteil, einem mit einem Ende an das Schaftteil anschließenden Mittelteil, und einer am anderen Ende des Mittelteils anschließenden Elektrodenspitze, wobei mindestens die Elektrodenspitze und mindestens ein an die Elektrodenspitze anschließender Abschnitt des Mittelteils aus einem hochtemperaturbeständigen Material bestehen.
  • Solche Brennerelektroden sind typischerweise von Gasbrennern für Heizungen bekannt, wie sie z.B. in Haushalten oder auch in größeren Anlagen zur Zündung und/oder Überwachung eines Gasbrenners für Heizungen verwendet werden. Solche Brennerelektroden sind typischerweise in einem Gasbrenner unmittelbar neben einer Brennfläche angeordnet und sie dienen dazu, jeweils bei Start eines Brennvorganges einen Funken zu erzeugen, durch welchen eine Gasflamme entzündet wird, oder aber die Anwesenheit einer Flamme detektiert wird.
  • Die Elektrode ist hierzu notwendigerweise in unmittelbarer Nähe der Brennfläche angeordnet und verliert durch das starke und andauernde Aufheizen an Stabilität. Der Draht kann sich darum durch das Eigengewicht und durch Einflüsse von außen verformen.
  • Der Austausch der Elektrode ist kostspielig. Besonders wichtig ist aber ein Komfortverlust wenn die Elektrode und damit die Heizung ausfällt (z. B. in einer kalten Winternacht) und ein teurer Service-Einsatz anfällt (Arbeitskosten, Anfahrt...). Aus diesem Grund versucht man, die Elektrode möglichst zuverlässig auszuführen, damit möglichst ein Zweijahres-Intervall oder mehr überstanden wird. So kann die Elektrode bei einer regelmäßigen Wartung ohne Ausfall getauscht werden.
  • Die Brennerelektrode ist demzufolge sehr großen und wechselnden thermischen Belastungen, und damit auch mechanischen Belastungen ausgesetzt.
  • Herkömmliche Brennerelektroden werden daher aus hochtemperaturbeständigem Material hergestellt, das kommerziell z. B. unter dem Namen "Kanthal A1" oder "Kanthal APM"erhältlich ist.
  • Es handelt sich zumeist um Legierungen die auf einer Aluminium- Chrom- Eisen- Basis aufgebaut sind.
  • Ein solches Material ist vergleichsweise teuer, dabei bestehen die herkömmlichen Brennerelektroden üblicherweise aus einem massiven Draht, dessen Spitze gegebenenfalls regelmäßig nachgeformt wird und auch erodiert. Die Spitze und das Mittelteil einer solchen Brennerelektrode sind sehr hohen Temperaturen um die 1000 °C ausgesetzt, was sowohl durch den beim Zünden erforderlichen Funkenüberschlag als auch im Verlaufe des sonstigen Betriebes zu einer starken und schnellen Abnutzung der Elektrodenspitze führt. Solche Brennerelektroden müssen daher relativ häufig ausgetauscht werden. Abgesehen von dem Zeitaufwand für den Austausch der Brennerelektrode und dem damit verbundenen Ausfall eines Brenners , ist ein solcher Austausch einer Brennerelektrode auch wegen des für die Brennerelektroden verwendeten feuerfesten, teuren Materials relativ kostspielig.
  • Aus der GB 1 587 002 A ist eine Brennerelektrode mit einem Isolator bekannt, wobei der Isolator in einem Abschnitt Hohlräume aufweist und in diesem Abschnitt durch Streben zwischen den Hohlräumen strukturell stabilisiert ist.
  • Aus der FR 2 951 590 A1 ist eine Brennerelektrode bekannt, welche sich in Längsrichtung erstreckende Rippen aufweist, welche die Brennerelektrode verstärken.
  • Ferner sind aus der US 2017/0038071 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbessern von Gaspilotbrennern bekannt, die in der Lage sind gleichzeitig eine Flammenzündung und eine Flammenerfassung auszuführen. Die dort gezeigte Brennerelektrode ermöglicht gleichzeitig eine Zündung mit hoher Energie und eine Flammenionisierungserfassung einer Hochenergiezündung, die ein Funkenrohr in einem Brennstoffkanal verwendet.
  • Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde eine Brennerelektrode zu schaffen, welche eine deutlich verbesserte Haltbarkeit aufweist und gleichzeitig zu ihrer Herstellung möglichst wenig von dem relativ teuren, feuerfesten Material benötigt.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Mittelteil der Brennerelektrode Hohlräume aufweist, gegenüber der Elektrodenspitze einen größeren Außenquerschnitt hat, und durch Zwischenwände oder Streben zwischen den Hohlräumen strukturell stabilisiert ist, wobei der Hohlräume aufweisende Abschnitt des Mittelteils zumindest teilweise aus schichtweise aufgetragenem und durch gezielte Lokalerwärmung aufgeschmolzenem und/oder gesintertem Material besteht.
  • Das Mittelteil, welches ebenfalls aus einem feuerfesten Material besteht, benötigt wegen der Hohlräume in diesem Mittelteil weniger Material zu seiner Herstellung, ist aber gleichzeitig durch Zwischenräume und Streben ein stabiles und festes Teil, welches eine relativ lange Lebensdauer und hohe mechanische Stabilität hat, sodass die Elektrode weniger häufig ausgetauscht werden muss.
  • Gegebenenfalls wäre es auch möglich, eine verschlissene Elektrodenspitze von dem Mittelteil abzutrennen und eine neue Elektrodenspitze durch Verschweißen oder Sintern mit dem stabilen Mittelteil zu verbinden. Durch die längere Haltbarkeit der Brennerelektrode werden zum einen die Kosten für den Ersatz und Austausch von Brennerelektroden reduziert, zum anderen aber auch eine längere Ausfallsicherheit eines Brenners gewährleistet, weil verschlissene Brennerelektroden ansonsten dazu führen können, dass der Brenner nicht anspringt bzw. die Elektrode keinen ausreichenden Zündfunken mehr erzeugt.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann das Mittelteil eine innere Gitter-, Fachwerk-, Knochen-, Schwamm-, oder Schaumstruktur aufweisen. Bei der Ausbildung des Mittelteils mit Hohlräumen geht es im Wesentlichen darum, das teure feuerfeste Material einzusparen, gleichzeitig aber dem Mittelteil auch eine ausreichende Stabilität mitzugeben. Die vorgenannten Strukturen verbinden gute Stabilität mit geringem Materialverbrauch. So besteht beispielsweise das Innere von Knochen häufig aus einer leichten Struktur miteinander verbundener Streben, die überwiegend in Richtung aufzunehmender Kräfte ausgerichtet sind, gleichzeitig aber auch miteinander verbunden sind, und das Mittelteil einer Brennerelektrode kann insbesondere eine solche Knochenstruktur aufweisen. Aber auch die anderen vorgenannten Strukturen bieten eine ausreichende Stabilität bei geringem Materialverbrauch und eine Gitter- oder Fachwerkstruktur ist möglicherweise einfacher herzustellen als eine Knochenstruktur. Alle vorgenannten Strukturen haben miteinander gemeinsam, dass sie entweder wechselseitig abgeschlossene oder aber auch miteinander verbunden Hohlräume aufweisen, wobei die Wände oder Streben zwischen den Hohlräumen für mechanische Stabilität sorgen und die Hohlräume selbst kein Material benötigen.
  • Dabei kann das Mittelteil insbesondere eine geschlossene äußere Oberfläche aufweisen, die dieses Mittelteil weniger anfällig für Umgebungseinflüsse, insbesondere weniger anfällig gegenüber Angriffen durch Brennstoff oder Abgas machen. Zur Erhöhung der Stabilität kann das Mittelteil insbesondere gegenüber der Elektrodenspitze, optional aber auch gegenüber dem Schaftteil bauchig verdickt sein.
  • Ein allmählicher Übergang von dem Schaftteil und auch von der Elektrodenspitze zu der bauchigen Verdickung des Mittelteils kann dabei glatt und ohne Stufen erfolgen, was wiederum auch der mechanischen Stabilität des Mittelteils dient. Das Schaftteil, welches bei einem typischen Einbau der Elektrode in einem Brennraum von den Flammen des Brennraums und den Bereichen hoher Temperaturen weiter entfernt ist, muss nicht notwendigerweise aus dem feuerfesten Material bestehen, sondern kann aus seinem preiswerteren Material hergestellt sein, insbesondere aus Stahl oder Edelstahl, wobei ein Material bevorzugt ist, welches sich durch Sintern oder Verschweißen mit dem feuerfesten Material verbinden lässt. Ansonsten könnte das Schaftteil auch durch Formschluss mit dem Mittelteil verbunden werden, beispielsweise über einen an einem der beiden Teile vorgesehenen Zapfen, der in einen passenden Hohlraum an dem anderen der beiden Teile passt.
  • Der Hohlräume aufweisende Abschnitt des Mittelteils besteht zumindest teilweise aus schichtweise aufgetragenem und durch gezielte lokale Erwärmung aufgeschmolzenem oder gesintertem Material. Diese Herstellungstechnik für komplexe Formen ist an sich bekannt, wobei eine Schicht eines Pulvers auf ein Substrat aufgetragen und dann beispielsweise mit Hilfe eines Lasers entlang vorgegebener Strukturbahnen aufgeschmolzen bzw. zusammengesintert wird, wobei anschließend eine weitere Schicht von Pulver aus dem feuerfesten Material oder dessen Legierungsbestandteilen auf die bereits gesinterte Struktur aufgebracht und erneut mittels Laser aufgeschmolzen und/oder gesintert wird. Auf diese Weise entsteht schichtweise eine Struktur, die aus Wänden oder Streben besteht, zwischen denen sich abgeschlossene oder auch miteinander verbundene Hohlräume erstrecken, wobei die Hohlräume anfänglich mit Pulver gefüllt sein können, was im Laufe des Herstellungsprozesses oder auch zum Ende des Herstellungsprozesses hin entfernt werden kann, sodass entsprechende Hohlräume verbleiben. Das nicht aufgeschmolzene bzw. nicht gesinterte Pulver kann dann für die Herstellung weiterer Elektronen verwendet werden. Vorzugsweise ist das Material des Mittelteils und auch der Elektrodenspitze eine Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung. Solche Legierungen sind als besonders feuerfeste Legierungen bekannt.
  • Insbesondere kann das Material des Mittelteils zu 15 bis 30 % aus Chrom, zu 3 bis 8 % aus Aluminium und im Übrigen aus Eisen bestehen.
  • Beim schichtweisen Auftragen liegt das Legierungsmaterial vorzugsweise in Pulverform vor.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass ein Teil des Ausgangsmaterials der Legierung in massiver Form und ein Teil in Pulverform vorliegt. Beispielsweise kann eines der Legierungsbestandteile in Form eines massiven Drahtes über die zu sinterten Bahnen hinweggeführt und dabei mit den anderen Legierungskomponenten verbunden werden.
  • Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn mindestens 80 Vol.% des Pulvers eine Korngröße in einem Bereich zwischen 1 und 10 µm haben. Mit einem solchen Pulver lassen sich hinreichend feine und dünnwandige Strukturen erzeugen, die aber andererseits eine ausreichende Stabilität bieten.
  • In dem Übergang zwischen Schaftteil und dem Mittelteil, der durch einen stufenförmigen Zapfen des Schaftteils, welcher in einer stufenförmigen Bohrung des Mittelteils aufgenommen ist, gebildet wird, ist das Material massiv und kann sich insbesondere von dem Material des Mittelteis unterscheiden, um die Kosten der Herstellung gering zu halten. Eine Hohlraumstruktur wäre aber auch für das Schaftteil möglich.
  • Die Brennerelektrode kann insgesamt ein mehr oder weniger gerader, gestreckter Stab sein, wobei allerdings Varianten bevorzugt sind, bei welchen ein zentraler Abschnitt des Mittelteils (2) gegenüber der Elektrodenspitze abgewinkelt ist, wobei außerdem auch der zentrale Abschnitt des Mittelteils seinerseits gegenüber dem Schaftteil abgewinkelt sein kann, vorzugsweise in derselben Richtung und in derselben Ebene, in der auch die Elektrodenspitze gegenüber dem Mittelteil abgewinkelt ist.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren.
    • Figur 1a,b
    zeigen jeweils eine Brennerelektrode
    Figur 2
    zeigt eine Brennerelektrode ähnlich wie in Figur 1, montiert in einer Keramikhülse-
    Figur 3
    die Anordnung einer Brennerelektrode in einer Brennerkammer.
  • Man erkennt in Figur 1a, b jeweils eine Brennerelektrode 100, die aus einem Schaftteil 1, einem Mittelteil 2 und einer Elektrodenspitze 3 besteht. Ein an die Elektrodenspitze 3 anschließender Abschnitt 2b des Mittelteils 2 weist eine mit 2d bezeichnete Hohlraumstruktur auf, die eine Vielzahl von miteinander verbundenen oder auch voneinander getrennten Hohlräumen aufweist, welche durch Zwischenwände und/oder Streben begrenzt sind, die das Mittelteil 2 strukturell stabilisieren.
  • Ein unterer Abschnitt 2a des Mittelteils besteht aus massivem Material und weist eine zentrale Stufenbohrung auf, in der ein passend gestuftes, zapfenartiges Ende 1b des Schaftteiles 1 aufgenommen ist, um so eine formschlüssige Verbindung zwischen Schaftteil 1 und Mittelteil 2 zu bilden. In diesem Bereich hat die Elektrode eine größere Stromtragfähigkeit pro Flächeneinheit als in dem Hohlräume aufweisenden Abschnitt 2b, und auch insgesamt kann die Stromtragfähigkeit in diesem Bereich höher sein als in den übrigen Abschnitten des Mittelteils 2.
  • Der zentrale Abschnitt des Mittelteils 2 ist sowohl gegenüber dem Schaftteil 1 als auch gegenüber der Elektrodenspitze (3) abgewinkelt ist
  • Gemäß Figur 3 ist die Brennerelektrode 100 in einem Durchbruch einer Brennkammerwand 7 montiert. Das Schaftteil 1 und ein unteres Ende des Abschnittes 2a des Mittelteils 2 sind in einer Keramikhülse 4 angeordnet, die wiederum in einem Montageblech 5 gehaltert ist, wobei das Montageblech 5 an der Außenwand 7der Brennkammer 8 befestigt ist und die Keramikhülse 4 mit der Brennerelektrode 100 sich in die Brennkammer 8 hinein erstreckt.
  • An einer schematisch dargestellten Brennfläche 6 des Brenners 10 tritt beispielsweise Gas aus, welches durch Erzeugen eines Funkens an der Elektrodenspitze 3 entzündet wird. Zwischen der Elektrodenspitze 3 und der Brennfläche 6 wird hierzu eine entsprechende Spannung erzeugt, wobei das entstehende elektrische Feld an der Spitze der Elektrodenspitze 3 konzentriert wird und hierdurch einen Funkenüberschlag erzeugt. Ein Hochspannungsanschluss 9 am unteren Ende des Schaftes 1 und der Isolierhülse 4 dient der Hochspannungsversorgung der Elektrode 100 zur Erzeugung eines Zündfunkens. Die Flammen auf der Brennfläche 6 sind schematisch bei 6a dargestellt.
  • Im Betrieb treten sehr hohe thermische und chemische Belastungen der Brennerelektrode 100 auf, die eine einfache Drahtelektrode sehr schnell mechanisch instabil machen, eine Oxidierung der Oberflächen hervorrufen und damit auch die Leitfähigkeit der Elektrode 100 negativ beeinflussen und letztlich auch zum Versagen von Elektroden führen, wenn sie herkömmlich aus einem einfachen Draht hergestellt sind. Im Falle von Überwachungselektroden entsteht eine isolierende Oxidationsschicht auf der Außenfläche eines Elektrodendrahtes, schwächt das Überwachungssignal und kann die Bildung eines Zündfunkens verhindern.
  • Durch die erzeugten Zündfunken und auch durch die Beaufschlagung mit Flammengasen erodiert die Elektrodenspitze im Laufe der Zeit und verbrennt. Zur Erhöhung der Lebensdauer solcher Elektroden kann man den Drahtdurchmesser erhöhen und insbesondere auch hochtemperaturbeständige Materialien für die Elektroden verwenden.
  • Herkömmliche Elektroden werden mit Schaftteil 1, Mittelteil 2 und Elektrodenspitze 3 häufig aus einem einzigen massiven Draht gefertigt, was bei Verwendung eines hochtemperaturbeständigen Materials hohe Kosten erzeugt.
  • Die erfindungsgemäße Brennerelektrode 100 ist strukturell derart optimiert, dass sie eine besonders große Lebensdauer aufweist. Hierzu besteht die Elektrodenspitze 3 aus massivem Material, das Mittelteil besteht überwiegend aus einem Hohlräume aufweisenden Material mit Streben und/oder Zwischenwänden, die dem Mittelteil eine strukturelle Festigkeit geben, während das weitgehend in einer Keramikhülse 4 aufgenommene Schaftteil 1 entweder aus demselben hochtemperaturbeständigen Material bestehen kann wie das Mittelteil 2, oder aber auch aus einem preiswerteren Material einer guten elektrischen Leitfähigkeit hergestellt sein kann, da das Schaftteil 1 überwiegend in einer schützenden Keramikhülse 4 aufgenommen ist, sodass es weniger hohen Temperaturen ausgesetzt ist und auch von Brenngasen und Abgasen nicht oder nur wenig beaufschlagt wird.
  • Das Mittelteil 2 hat auch in dem Hohlräume aufweisenden Abschnitt 2b eine geschlossene Außenhaut 2c. Anhand der Anordnung in einem Brenner gemäß Figur 3 erkennt man, dass vor allem die Elektrodenspitze und der anschließende, Hohlräume aufweisende Abschnitt 2b des Mittelteils 2 unvermeidlich den thermischen und chemischen Einwirkungen der Flammen und Abgase ausgesetzt ist.
  • Die Hohlraumstruktur 2d des Mittelteils 2 verleiht diesem Abschnitt 2b eine ausreichende Stabilität, wobei das Innere des Mittelteils 2 durch die geschlossene Außenhaut 2c gegenüber chemischen Einflüssen geschützt ist und somit die Stabilität des Mittelteils 2 dauerhaft gewährleisten kann.
  • Die Elektrodenspitze 3 ist aus massivem Material gefertigt, kann jedoch nach dem gleichen Verfahren hergestellt werden wie auch das Mittelteil und ist insoweit einstückig mit dem Mittelteil verbunden. Die Elektrodenspitze 3 ist für die Erzeugung von Zündfunken optimiert und weist hierfür ein spitz zulaufendes vorderes Ende auf, von welchem sich bei Bedarf ein Zündfunken ablöst, wenn die Elektrode mit einer entsprechend hohen Spannung beaufschlagt wird.
  • Das Mittelteil 2 und die Elektrodenspitze 3 werden vorzugsweise einstückig durch schichtweises Auftragen und lokales Aufschmelzen bzw. Sintern von Pulvermaterial hergestellt. Hierzu wird auf ein Substrat bzw. ein massives Ausgangsstück, das beispielsweise aus dem unteren Hülsenabschnitt 2a bestehen kann, ein Pulvermaterial aufgetragen, welches dann nur lokal aufgeschmolzen bzw. zusammengesintert wird, z.B. mit Hilfe eines Lasers, der programmgesteuert über die Oberfläche geführt wird, sodass auf Basis entsprechender gespeicherter Strukturdaten der Laser schichtweise die gesamte räumliche Struktur aufbaut, indem er die aufgetragene Pulverschicht jeweils entlang der vorgesehenen Wand- und Strebenstrukturen aufsintert.
  • Im Bereich der Spitze werden die entsprechenden Schichten dann jeweils vollflächig gesintert und miteinander verbunden, sodass eine massive Elektrodenspitze 3 entsteht.
  • Der untere Abschnitt 2b des Mittelteils ist als Hohlkörper ausgeführt, gegebenenfalls mit einer geschlossenen Stirnseite, um als Ausgangssubstrat zu dienen. In den rohrförmigen Hohlraum des Abschnittes 2b ist das obere Ende bzw. ein Zapfen 1b eines unteren Schaftteiles 1 eingeführt und gasdicht und/oder stoffschlüssig mit dem Mittelteil 2 verbunden. Das Schaftteil und der untere Abschnitt des Mittelteils sind ihrerseits in einer Keramikhülse 4 aufgenommen, die als temperaturbeständige und isolierende Halterung dient, wenn sie in einem Durchbruch in der Wand 7 eines Brenners 10 montiert ist.
  • Der Schaft 1 der Elektrode hat an seiner Spitze einen abgestuften Zapfen 1b, der in eine entsprechend abgestufte Aufnahmeöffnung am unteren Ende 2a des Mittelteils 2 eingesteckt ist. Unmittelbar im Anschluss an den oberen Zapfenabschnitt 1b weist der Schaft 1a zwei diametral gegenüberliegende, radiale Vorsprünge 1c auf, wobei die Keramikhülse 4 wiederum auf ihrer Innenseite zwei diametral gegenüberliegende Nuten 12 zur Aufnahme der Vorsprünge 1c, sowie am unteren Ende der Nuten noch zwei in Umfangsrichtung verlaufende Nutenabschnitte (nicht sichtbar) aufweist, sodass der Schaft 1 nach Art eines Bajonettverschlusses in der Hülse 4 verriegelt bzw. fixiert werden kann.
  • Wie man in einem vergrößerten Ausschnitt der Figur 2 erkennt, ist somit der Schaft 1 vollständig in der Keramikhülse 4 aufgenommen und der obere Zapfenabschnitt 1b ist dabei auch noch von dem unteren massiven Teil 2a des Mittelteils 2 umfasst und nach außen abgedeckt, wobei auch der Abschnitt 2a des Mittelteils 2 sich noch ein Stück weit in die Keramikhülse 4 hineinerstreckt.
  • Oberhalb des hohlen Abschnittes 2a erkennt man im Abschnitt 2b eine Hohlraumstruktur 2d, die, wie bereits erwähnt, unterschiedlich ausgeführt sein kann, z.B. in Form einer Röhren- oder Wabenstruktur, einer Knochenstruktur oder einer Fachwerkstruktur mit Streben und/oder Rippen. Der massive untere Abschnitt 2a setzt sich noch in Form einer dünnen Oberflächenschicht 2c über das gesamte Mittelteil 2 hinweg fort und bildet so eine geschlossene Oberfläche 2c des Mittelteils 2. Die Elektrodenspitze 3 ist wiederum aus einem entsprechenden massiven Material gefertigt.
  • Die isolierende Keramikhülse 4 wiederum ist mit Hilfe eines Befestigungsflansches 5 an der Wand 7 des Brenners 10 montiert.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Schaftteil
    1a
    Schaft
    1b
    abgestufter Zapfen
    1c
    radialer Vorsprung
    2
    Mittelteil
    2a
    unter Abschnitt (mit stufenförmiger Aufnahme)
    2b
    Abschnitt mit Hohlraumstruktur
    2c
    geschlossene Außenhaut/Oberflächenschicht
    2d
    Hohlraumstruktur
    3
    Elektrodenspitze
    4
    Keramikhülse
    5
    Montageblech
    6
    Brennfläche
    7
    Brennkammerwand/Außenwand
    8
    Brennkammer
    9
    Hochspannungsanschluss
    10
    Brenner
    100
    Brennerelektrode

Claims (13)

  1. Brennerelektrode mit einem unteren Schaftteil (1), einem mit einem Ende an das Schaftteil anschließenden Mittelteil (2), und einer am anderen Ende des Mittelteils anschließenden Elektrodenspitze (3), wobei mindestens die Elektrodenspitze (3) und mindestens ein an die Elektrodenspitze anschließender Abschnitt (2b) des Mittelteils (2) aus einem hochtemperaturbeständigen Material bestehen, wobei das Mittelteil zumindest entlang des an die Elektrodenspitze anschließenden Abschnittes (2b) Hohlräume (2d) aufweist und in diesem Abschnitt (2b) durch Zwischenwände oder Streben zwischen den Hohlräumen strukturell stabilisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlräume aufweisende Abschnitt (2b) des Mittelteils (2) zumindest teilweise aus schichtweise aufgetragenem und durch gezielte lokale Erwärmung aufgeschmolzenem und/oder gesintertem Material besteht.
  2. Brennerelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlräume aufweisende Abschnitt (2b) des Mittelteils eine innere Röhren-, Gitter-, Fachwerk-, Rippen-, Knochen-, Schwamm- oder Schaumstruktur aufweist, während die Elektrodenspitze (3) aus Vollmaterial besteht und keine Hohlräume aufweist.
  3. Brennerelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt des Hohlräume aufweisenden Mittelteils gegenüber der Elektrodenspitze (3) einen größeren Außenquerschnitt hat,
  4. Brennerelektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelteil (2) eine geschlossene äußere Oberfläche (2c) aufweist.
  5. Brennerelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelteil (2) gegenüber der Elektrodenspitze (3) und optional auch gegenüber dem Schaftteil (1) bauchig verdickt ist.
  6. Brennerelektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Hohlräume aufweisenden Abschnittes des Mittelteils und der Elektrodenspitze eine Eisen-Chrom-Aluminium Legierung ist.
  7. Brennerelektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das das Material des Hohlräume aufweisenden Abschnittes (2b) des Mittelteils (2) zu 15 bis 30 % aus Chrom, zu 3 - 8 % aus Aluminium und im Übrigen im Wesentlichen aus Eisen besteht.
  8. Brennerelektrode nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Legierungsmaterial des Abschnittes (2b) beim schichtweisen Auftragen in Pulverform vorliegt.
  9. Brennerelektrode nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Ausgangsmaterial der Legierung in massiver Form und ein Teil in Pulverform vorliegt.
  10. Brennerelektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 80 Vol.% des Pulvers eine Korngröße im Bereich zwischen 1 und 10 µm haben.
  11. Brennerelektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Abschnitt des Mittelteils (2) sowohl gegenüber dem Schaftteil (1) als auch gegenüber der Elektrodenspitze (3) abgewinkelt ist.
  12. Brennerelektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelteil (2) am Übergang zu dem Schaftteil (1) mechanisch verstärkt ist und dort eine auf den Bruttoquerschnitt bezogene größere Stromtragfähigkeit hat als in dem Hohlräume aufweisenden Abschnitt (2b).
  13. Brennerelektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaftteil in einer Keramikhülse (4) gehaltert ist.
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