WO2006056180A1 - Heizgerät und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

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WO2006056180A1
WO2006056180A1 PCT/DE2005/002102 DE2005002102W WO2006056180A1 WO 2006056180 A1 WO2006056180 A1 WO 2006056180A1 DE 2005002102 W DE2005002102 W DE 2005002102W WO 2006056180 A1 WO2006056180 A1 WO 2006056180A1
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WO
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combustion chamber
oxide
composite material
fiber composite
ceramic
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Application number
PCT/DE2005/002102
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Erbacher
Michael Rozumek
Original Assignee
Webasto Ag
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • 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 a heating device operated with liquid or gaseous fuel, in particular a motor vehicle heating device. Furthermore, the invention relates to a method for producing a heating device operated with liquid or gaseous fuel, in particular a motor vehicle heating device.
  • the combustion chambers and various components associated with the combustion chambers of fuel-operated heating devices are manufactured from high-temperature-resistant high-performance steels.
  • high-performance steels are very expensive on the material price and on the other hand are very expensive to process.
  • high-performance steels have the property of, for example, storing carbon at high temperatures and thus at least partially losing their good material properties (high-temperature corrosion).
  • Another Ein ⁇ restriction is that of high-performance steel Asked combustion chambers her ⁇ or made of heavy duty steel, the combustion chambers associated Komponen ⁇ th usually only up to a temperature of 1200 0 C are used. This limits the power density of the combustion chambers and leads to large volumes.
  • the invention is based on the object, the gattungsgemä ⁇ Shen heaters and methods in such a way that the manufacturing cost can be reduced and at the same time the use at higher temperatures is possible.
  • the heater according to the invention builds on the generic state of the art in that at least one of the fol ⁇ ing components made wholly or partly of a ceramic see oxide / oxide fiber composite material and secured by a form-fitting joining process: combustion chamber or part of the combustion chamber, Evaporator element, baffle plate, ignition device, fuel nozzle, Sekundärbrennbe- / exhaust pipe, heat shield.
  • oxide / oxide-fiber composite materials are cheaper than the previously used high-performance steels.
  • ceramics are used at temperatures up to 1500 0 C, relatively elastic, tough and resistant to breakage (similar properties as wood).
  • the fastening provided according to the invention via a positive-fit joining process is in many cases considerably less expensive than, for example, complex welding processes.
  • the following fastening options come into consideration as positive-fit joining processes: screwing, clipping, snap-action, interference fit, direct bonding in the production (lamination) of the ceramic fiber in the green state and, in particular, clamping-joining processes.
  • connection with a screw connection additionally or alternatively to the use of Conventional screws are vor ⁇ seen in a particularly advantageous manner, the individual components are provided with external threads, which cooperate with cooperating in other components inner threads.
  • the connection between steel and ceramic is very complicated, since the connection between the harder ceramics and the softer steel joining partner loosens (abrasion / wear) and the ceramics - since they are brittle - are in danger of damage, especially when the component is subject to vibration.
  • the toughness / elasticity of the ceramic used according to the invention allows the abovementioned joining processes, since the elastic bias always ensures an integral connection of the joining partners. Thus, a free work of the ceramic is excluded in vibration.
  • the ceramic oxide / oxide fiber composite material is produced by applying a sintering process to a high-strength fiber fabric and a matrix of porous mullite.
  • a sintering process to a high-strength fiber fabric and a matrix of porous mullite.
  • other ceramic nanoparticles may be used instead of mullite.
  • the high-strength fiber fabric may be, for example, Nextel 720 or Nextel 610 type.
  • a colloidal suspension which contains a mixture of nano- and submicron powders and forms a finely porous structure on sintering.
  • the production process developed in the context of the abovementioned dissertation is characterized by the fact that it makes it possible to use simple and cost-effective methods. favorable, known laminating techniques, as they are known for the production of components made of fiber-reinforced plastics.
  • the colloidal preparation leads to homogeneous, low-defect structures of high chemical purity. By eliminating the otherwise usual fiber coating and subsequent infiltration steps, a cost-effective production of said oxide / oxide fiber composite material becomes possible.
  • the combustion chamber (FIG. 12) is at least partially made of steel. Because of the toughness of the inventively applied fiber ceramic, it is possible to fix the components made from this ceramic later by a form-fitting joining process in the combustion chamber made of steel, which hitherto due to the brittleness of conventional ceramic materials failed.
  • a preferred development of the heater according to the invention provides that the combustion chamber and the fuel nozzle are produced in one piece from the ceramic oxide / oxide fiber composite material.
  • Such fuel nozzles which may be present in particular in the form of venturi nozzles, are used, for example, in injection burners. So far, for example, ceramic venturi nozzles have to be coupled with other steel components via very complex joining techniques.
  • an ignition device for example in the form of a ceramic glow plug
  • the ceramic is tough even in the sintered state, and not all the glow pins are suitable for being subjected to a sintering process. Therefore, alternatively, the insertion of the ignition device may be provided in the finished ceramic as a press fit. Furthermore, by virtue of the production of the Venturi nozzle from the porous material, a certain evaporative property of the nozzle walls with respect to fuel precipitation can advantageously be realized.
  • a further preferred embodiment of the heating device according to the invention provides that the evaporator element comprises a fleece.
  • evaporator fleeces of fuel-operated heaters made of sintered steel fibers have been produced, which on the one hand are very expensive on the one hand on the material price and on the other hand are very expensive to carry out.
  • Fer ⁇ ner the known evaporator nonwovens are sensitive gegen ⁇ overheating and burning.
  • oxide / oxide fiber composite material it is possible to load the nonwoven and in particular the nonwoven surface in terms of temperature higher.
  • the production of the entire combustion chamber or of a part of the combustion chamber made of oxide / oxide fiber composite material opens up the possibility of using large parts of the combustion chamber as the evaporator surface.
  • the method according to the invention is based on the state of the art in that it comprises the following steps:
  • the ceramic oxide / oxide fiber composite material is produced by applying a sintering process to a high-strength fiber fabric and a matrix of porous mullite.
  • mullite it is also possible to use other ceramic nanoparticles, if appropriate.
  • the geometry of the component is determined by a lamination method.
  • the Brennkam ⁇ mer is at least partially made of steel.
  • combustion chamber and the fuel nozzle are produced in one piece from the ceramic oxide / oxide fiber composite material.
  • Essential to the invention is the recognition that modern oxide / oxide fiber composite materials, which have been developed in particular as a thermal protection of spacecraft or as a radome of hypersonic missiles, can also be used particularly advantageously in connection with fuel-operated heaters. in particular, the use of form-fitting joining processes leads to a significant reduction in manufacturing costs.
  • the invention leads in particular to the fact that a higher power density is achieved in the burner, that a longer service life is achieved and that a cheaper and more reliable manufacturing method is provided.
  • the present invention is applicable in particular to heaters with injection burners, atomizer burners or evaporator burners.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of the heater according to the invention, wherein only the burner is shown in more detail;
  • FIG. 2 is a schematic representation of a second embodiment of the heater according to the invention, wherein only the combustion chamber is shown in more detail;
  • FIG. 3 is a schematic representation of a third embodiment of the heater according to the invention, wherein only the combustion chamber is shown in more detail.
  • FIG. 1 schematically shows the components of a burner of an embodiment of the heating device 10 according to the invention which is of interest here only as a block.
  • the burner comprises a combustion chamber 12, in which a baffle plate 16, which is provided, inter alia, for evaporating fuel, is arranged.
  • the baffle 16 has baffle apertures 30, only two of which are shown.
  • the baffle plate 16 is associated with a starting chamber 28, in which in be ⁇ known manner an ignition device 18 protrudes.
  • a flame tube 22 is arranged to the left of the combustion chamber 12, which forms a secondary combustion chamber and communicates with the combustion chamber 12 via a combustion chamber outlet 48.
  • a Sekundärbrennraumauslass 50 is connected to an exhaust system, not shown here
  • a compound which may also be formed at least partially from a ceramic oxide / oxide fiber composite.
  • a fuel nozzle 20 in the form of a Venturi nozzle is indicated.
  • a fuel needle 26 which is not of interest here, as is also known per se.
  • the heat shield may have secondary air puffing to supply secondary air to the combustion chamber in addition to the combustion air supplied through the nozzle, in particular, twisted secondary air.
  • combustion chamber 12 (or other of said components) is at least partially made of steel
  • the combustion chamber 12, the baffle 16, the nozzle 20 and the heat shield 24, respectively and the flame tube 22 are made of a ceramic oxide / oxide fiber composite material.
  • all of the named components are connected to one another by a positive-fit joining process, as will be explained in more detail below in connection with the description of the method according to the invention.
  • the method according to the invention can be carried out as follows.
  • the flame tube 22, the combustion chamber 12, the baffle 16 and the component forming the nozzle 20 and the heat shield 24 are made of an oxide / oxide fiber composite using known laminating techniques. produced composite material, in particular the material explained in more detail above.
  • the component forming the nozzle 20 or the heat shield 24 it should be mentioned as a special feature that the ignition device 18 has been inserted directly into the tough fiber ceramic via a joining process, such that a press fit results in the opening 52 with the component. Therefore, complex connection techniques can also be omitted in this regard.
  • the baffle plate 16 is first introduced into the combustion chamber 12, such that it is located on a circumferential web 32 formed by the combustion chamber 12. Subsequently, the component forming the nozzle 20 and the heat shield 24, which already carries the ignition device 18, is inserted into the combustion chamber 12 with the collar 34.
  • a first clamping device 44 in the form of a first clamping ring is used to connect a first flange 36 of the combustion chamber 12 with a third flange 40, which extends in the manner shown perpendicular to the collar 34.
  • the first clamping ring 44 may be at least slightly V-shaped in order to bias the first flange 36 and the third flange 40 up against one another.
  • the flame tube 22 is fastened be ⁇ , also via a clamping-joining process.
  • the combustion chamber 12 has a second flange 38 which cooperates with a fourth flange 42 formed by the combustion tube 22 by biasing the second flange 38 and the fourth flange 42 towards each other via a second clamping ring 46.
  • a baffle plate made of the ceramic material can also partly assume an evaporator function in that the material temporarily stores fuel droplets from the nozzle and supplies them to a controlled evaporation, which leads to a good fuel treatment and thus to a very clean combustion .
  • these droplets may possibly escape from the hot, smooth surface due to the Leidenfrost effect and be guided by the combustion air into the downstream part of the burner. This can lead to incomplete combustion and poor exhaust emissions.
  • FIG. 2 only the combustion chamber of a heater 10, which is otherwise only shown in block form, is shown in more detail.
  • the combustion chamber 12 is formed integrally with a fuel nozzle 20 and a section acting as a heat shield 24, specifically of a ceramic oxide / oxide fiber composite material.
  • known laminating processes can be used.
  • a mechanical post-processing by drilling, milling, sawing, filing and so on can also be made in this case as well as in all other cases, if this is necessary.
  • the ignition device 18 has been inserted directly into the tough fiber ceramic, without using complicated joining techniques. By inserting the ignition device 18, a combustion chamber opening 54 results in the region of the heat shield 24.
  • a flame tube preferably extends behind the combustion chamber outlet 48, which can form a secondary combustion chamber.
  • Figure 3 shows a third embodiment of a total of only indicated as a block heater 10, wherein also in this case only the combustion chamber 12 is closer Darge presents.
  • the heater 10 of FIG. 3 has a so-called evaporator burner, in which an absorbent element for evaporating the liquid fuel is provided.
  • the absorbent elements are formed by evaporator nonwovens made of sintered steel fibers, which, however, are sensitive to overheating and burnup. According to the illustration of FIG.
  • an evaporator fleece which is designated as a whole by 14, to which liquid fuel is supplied via a fuel line 56.
  • the evaporator fleece 14 is made of a ceramic see oxide / oxide fiber composite material and has a first portion 14 a and a second optional portion 14 b on the second portion 14 b of the evaporator fleece 14 forms a wall portion of the combustion chamber 12, so that for the evaporation process surface is very large.
  • the combustion chamber 12 may in principle also be made of steel, it is preferred that the combustion chamber 12 also consists of a ceramic oxide / oxide fiber composite material. If the combustion chamber 12 has an upper half of the combustion chamber and a lower half of the combustion chamber in relation to the illustration of FIG.
  • the assembly of the illustrated assembly can, for example, be made such that the evaporator fleece is first inserted into one of the housing halves and the Combustion chamber 12 is subsequently complemented by the other housing half.
  • a web 32 which encircles the combustion chamber 12 is provided, which axially fixes the evaporator fleece 14, so that due to the coordinated geometries a total of Attachment of the evaporator web 14 results.
  • the areas of the combustion chamber 12 provided for fuel evaporation are designed to be absorbent, while the outer area of the combustion chamber 12 is preferably sealed in order to prevent the escape of fuel.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betriebenes Heizgerät (10) , insbesondere Kraftfahrzeugheizgerät (10). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest eine der folgenden Komponenten (12-24) ganz oder teilweise aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff hergestellt und durch einen Formschluss-Fügeprozess befestigt ist: Brennkammer (12) oder Teil der Brennkammer (12) , Verdampferelement (14; 16) , Prallscheibe (16) , Zündeinrichtung (18), Brennstoff düse (20) , Sekundärbrennbereich/Abgasleitung (22) , Hitzeschild (24).

Description

Heizgerät und Verfahren zur Herstellung desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betriebenes Heizgerät, insbesondere ein Kraftfahrzeugheizgerät. Weiterhin betrifft die Erfin¬ dung ein Verfahren zur Herstellung eines mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betriebenen Heizgeräts, insbesondere eines Kraftfahrzeugsheizgeräts.
Bisher werden die Brennkammern sowie verschiedene den Brennkammern zugeordnete Komponenten von brennstoffbetrie¬ benen Heizgeräten aus hochtemperaturfesten Hochleistungs- stählen hergestellt. Derartige Hochleistungsstähle sind ei- nerseits vom Materialpreis her sehr teuer und andererseits von der Verarbeitung sehr aufwendig. Darüber hinaus weisen derartige Hochleistungsstähle die Eigenschaft auf, bei ho¬ hen Temperaturen z.B. Kohlenstoff einzulagern und damit ih¬ re guten Werkstoffeigenschaften zumindest teilweise zu ver- lieren (Hochtemperatur-Korrosion) . Eine weitere Ein¬ schränkung besteht darin, dass aus Hochleistungsstahl her¬ gestellte Brennkammern beziehungsweise aus Hochleistungs- stahl hergestellte, den Brennkammern zugeordnete Komponen¬ ten in der Regel nur bis zu einer Temperatur von 1200 0C einsetzbar sind. Dies begrenzt die Leistungsdichte der Brennkammern und führt zu großem Bauvolumen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemä¬ ßen Heizgeräte und Verfahren derart weiterzubilden, dass die Herstellungskosten gesenkt werden und gleichzeitig der Einsatz bei höheren Temperaturen möglich wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Er- findung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Heizgerät baut auf den gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass zumindest eine der fol¬ genden Komponenten ganz oder teilweise aus einem kerami- sehen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff hergestellt und durch einen Formschluss-Fügeprozess befestigt ist: Brennkammer oder Teil der Brennkammer, Verdampferelement, Prallscheibe, Zündeinrichtung, Brennstoffdüse, Sekundärbrennbe- reich/Abgasleitung, Hitzeschild. Derartige Oxid/Oxid-Faser- Verbundwerkstoffe sind vom Materialpreis her günstiger als die bisher eingesetzten Hochleistungsstähle. Darüber hinaus sind derartige Keramiken bei Temperaturen bis zu 1500 0C einsetzbar, relativ elastisch, zäh und bruchunempfindlich (ähnliche Eigenschaften wie Holz) . Auch die erfindungsgemäß vorgesehene Befestigung über einen Formschluss-Fügeprozess ist in vielen Fällen deutlich kostengünstiger als bei¬ spielsweise aufwendige Schweißverfahren. Als Formschluss- Fügeprozess kommen beispielsweise die folgenden Befesti¬ gungsmöglichkeiten in Betracht: Verschrauben, Klipsen, Ras- ten, Presspassung, direktes Verbinden bei der Herstellung (Laminierung) der Faserkeramik im Grünzustand und insbeson¬ dere Klemm-Fügeprozesse. Im Zusammenhang mit einer Ver- schraubung kann zusätzlich oder alternativ zum Einsatz her- kömmlicher Schrauben in besonders vorteilhafter Weise vor¬ gesehen sein, das einzelne Komponenten mit Außengewinden versehen sind, die mit in anderen Komponenten zusammenwir¬ kenden Innengewinden zusammenwirken. Beim Stand der Technik ist die Verbindung zwischen Stahl und Keramik sehr aufwän¬ dig, da sich insbesondere bei Vibrationsbeanspruchung des Bauteils die Verbindung zwischen der härteren Keramik und dem weicheren Stahlfügepartner lockert (Abrasion/Abnutzung) und der Keramik - da spröde - eine Beschädigung droht. Die Zähigkeit/Elastizität der erfindungsgemäß eingesetzten Ke¬ ramik erlaubt die oben genannten Fügeprozesse, da durch die Eleastische Vorspannung immer eine einstückige Verbindung der Fügepartner gewährleistet wird. Damit ist ein sich Freiarbeiten der Keramik bei Vibrationen ausgeschlossen.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungs- gemäßen Heizgerätes ist vorgesehen, dass der keramische O- xid/Oxid-Faserverbundwerkstoff durch Anwenden eines Sin¬ terprozesses auf ein hochfestes Fasergewebe und eine Matrix aus porösem Mullit hergestellt ist. Anstelle von Mullit können gegebenenfalls auch andere keramische Nanopartikel verwendet werden. Ein derartiger keramischer Oxid/Oxid- Faserverbundwerkstoff ist beispielsweise in der Disserta¬ tion "Kolloidale Herstellung und Entwicklung eines neuen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoffes" von R. Simon (Montana Universität Loben, 2004) beschrieben. Demgemäß kann das hochfeste Fasergewebe beispielsweise vom Typ Nextel 720 oder Nextel 610 sein. Zum Aufbau der Matrix wird eine kol¬ loidale Suspension verwendet, die eine Mischung aus Nano- und Submikron-Pulvern enthält und beim Sintern eine feinpo¬ röse Struktur bildet. Das im Rahmen der genannten Disserta¬ tion entwickelte Herstellungsverfahren zeichnet sich da¬ durch aus, dass es den Einsatz von einfachen und kosten- günstigen, an sich bekannten Laminiertechniken ermöglicht, wie sie zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverstärkten Kunststoffen bekannt sind. Die kolloidale Herstellung führt zu homogenen, defektarmen Gefügen von hoher chemischer Reinheit. Durch den Wegfall der sonst üblichen Faserbe¬ schichtung und Nachinfiltrationsschritte wird eine kosten¬ günstige Herstellung des genannten Oxid/Oxid-Faserverbund¬ werkstoffs möglich.
Obwohl es grundsätzlich bevorzugt wird, den Brenner des Heizgeräts aus verschiedenen Keramik-Grundbauteilen zu fer¬ tigen, die später durch Formschluss-Fügeprozesse zum Ge¬ samtbrenner verbunden werden, sieht eine bestimmte Ausfüh¬ rungsform der vorliegenden Erfindung vor, dass die Brenn- kammer (12) zumindest teilweise aus Stahl hergestellt ist. Denn aufgrund der Zähigkeit der erfindungsgemäß angesetzten Faser-Keramik ist es möglich, die aus dieser Keramik gefer¬ tigten Komponenten später durch einen Formschluss-Fügepro- zess in der Brennkammer aus Stahl zu fixieren, was bisher aufgrund der Sprödheit von herkömmlichen Keramik-Werkstof¬ fen gescheitert ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Heizge¬ rätes sieht vor, dass die Brennkammer und die Brennstoff- düse einstückig aus dem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbund¬ werkstoff hergestellt sind. Derartige Brennstoffdüsen, die insbesondere in Form von Venturidüsen vorliegen können, werden beispielsweise bei Injektionsbrennern eingesetzt. Bisher müssen beispielsweise keramische Venturidüsen über sehr aufwendige Verbindungstechniken mit anderen Stahlbau¬ teilen gekoppelt werden. Im Gegensatz hierzu ist es durch den Einsatz des keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstof¬ fes möglich, die Brennstoffdüsengeometrie in einem einzigen Herstellungsschritt gemeinsam mit der Brennkammergeometrie herzustellen. Dabei ist es beispielsweise weiterhin mög¬ lich, eine Zündeinrichtung, beispielsweise in Form eines keramischen Glühstifts, über einen Fügeprozess direkt in die zähe, noch ungesinterte Faserkeramik, zum Beispiel über eine Presspassung, einzuschieben, ohne aufwendige Verbin¬ dungstechniken einsetzen zu müssen. Andererseits ist die Keramik auch im gesinterten Zustand zäh und nicht alle Glühstifte sind dazu geeignet, einem Sinterprozess ausge- setzt zu werden. Daher kann alternativ das Einschieben der Zündeinrichtung in die fertige Keramik als Presspassung vorgesehen sein. Weiterhin kann durch die Fertigung der Venturidüse aus dem porösen Material eine gewisse Verdamp¬ fereigenschaft der Düsenwände bezüglich Brennstoffnieder- schlagen vorteilhaft verwirklicht werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemä¬ ßen Heizgerätes sieht vor, dass das Verdampferelement ein Vlies umfasst. Bisher werden Verdampfer-Vliese von brenn- stoffbetriebenen Heizern aus gesinterten Stahlfasern herge¬ stellt, die einerseits vom Materialpreis her sehr teuer und andererseits von der Verabreitung sehr aufwendig sind. Fer¬ ner sind die bekannten Verdampfer-Vliese empfindlich gegen¬ über Überhitzung und Abbrand. Kommt statt des Grundstoffs Stahl ein Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff zum Einsatz, so besteht die Möglichkeit, das Vlies und insbesondere die Vliesoberfläche temperaturmäßig höher zu belasten. Die Fer¬ tigung der gesamten Brennkammer oder eines Teils der Brenn¬ kammer aus Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff eröffnet die Möglichkeit, große Teile der Brennkammer als Verdampferflä¬ che zu nutzen. Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass es die folgenden Schritte umfasst:
- Herstellen, ganz oder teilweise, zumindest einer der folgenden Komponenten aus einem keramischen Oxid/Oxid- Faserverbundwerkstoff: Brennkammer oder Teil der Brennkammer, Verdampferelement, Prallscheibe, Zündein¬ richtung, Brennstoffdüse, Sekundärbrennbe- reich/Abgasleitung, Hitzeschild, und
Fügen der Komponente durch einen Formschluss-Fügepro- zess.
Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfin¬ dungsgemäßen Heizgerät erwähnten Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Heizgerät verwiesen wird.
Gleiches gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten Aus¬ führungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei auch diesbezüglich auf die entsprechenden Erläuterungen im Zu¬ sammenhang mit dem erfindungsgemäßen Heizgerät verwiesen wird.
Auch für das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt, dass der keramische Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff durch Anwenden eines Sinterprozesses auf ein hochfestes Faserge- webe und eine Matrix aus porösem Mullit hergestellt wird. Anstelle von Mullit können gegebenenfalls auch andere kera¬ mische Nanopartikel verwendet werden. Darüber hinaus wird es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als vorteilhaft erachtet, dass die Geometrie der Komponente durch ein Laminierverfahren festgelegt wird.
Zumindest bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungs- gemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Brennkam¬ mer zumindest teilweise aus Stahl hergestellt wird.
Auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es als besonders vorteilhaft erachtet, dass die Brenn¬ kammer und die Brennstoffdüse einstückig aus dem kerami¬ schen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff hergestellt werden.
Wesentlich für die Erfindung ist die Erkenntnis, dass mo- derne Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoffe, die insbesondere als Thermalschütz von Raumfahrzeugen oder als Radom von Hy¬ perschallflugkörpern entwickelt wurden, auch im Zusammen¬ hang mit brennstoffbetriebenen Heizgeräten besonders vor¬ teilhaft eingesetzt werden können, wobei insbesondere die Anwendung von Formschluss-Fügeprozessen zu einer deutlichen Senkung der Herstellungskosten führt. Die Erfindung führt dabei insbesondere dazu, dass eine höhere Leistungsdichte im Brenner erreicht wird, dass eine höhere Lebensdauer er¬ reicht wird und dass eine preisgünstigere und zuverlässi- gere Fertigungsmethode zur Verfügung gestellt wird.
Ohne darauf beschränkt zu sein ist die vorliegende Erfin¬ dung insbesondere bei Heizungen mit Injektionsbrennern, Zerstäuberbrennern oder Verdampferbrennern anwendbar.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfol¬ gend anhand der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft erläu¬ tert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Aus- führungsform des erfindungsgemäßen Heizgeräts, wobei lediglich der Brenner näher dargestellt ist;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Aus- führungsform des erfindungsgemäßen Heizgeräts, wobei lediglich die Brennkammer näher dargestellt ist; und
Figur 3 eine schematische Darstellung einer dritten Aus- führungsform des erfindungsgemäßen Heizgeräts, wobei lediglich die Brennkammer näher dargestellt ist.
Figur 1 zeigt schematisch die hier interessierenden Kompo- nenten eines Brenners einer Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Heizgeräts 10, das insgesamt nur als Block angedeu¬ tet ist. Der Brenner umfasst eine Brennkammer 12, in der eine unter anderem zur Verdampfung von Brennstoff vorgese¬ hene Prallscheibe 16 angeordnet ist. Die Prallscheibe 16 weist Prallscheibendurchbrüche 30 auf, von denen lediglich zwei dargestellt sind. Darüber hinaus ist der Prallscheibe 16 eine Startkammer 28 zugeordnet, in die in an sich be¬ kannter Weise eine Zündeinrichtung 18 ragt. Bezogen auf die Darstellung von Figur 1 ist links neben der Brennkammer 12 ein Flammrohr 22 angeordnet, das einen Sekundärbrennraum bildet und über einen Brennkammerauslass 48 mit der Brenn¬ kammer 12 in Verbindung steht. Ein Sekundärbrennraumauslass 50 steht mit einer hier nicht dargestellten Abgasanlage in Verbindung, die zumindest teilweise ebenfalls aus einem ke¬ ramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff gebildet sein kann. Rechts von der Prallscheibe 16 ist eine Brennstoff- düse 20 in Form einer Venturidüse angedeutet. In die Brenn- Stoffdüse 20 ragt eine hier nicht näher interessierende Brennstoffnadel 26, wie dies an sich ebenfalls bekannt ist. Benachbart zur Brennstoffdüse 20 ist ein einstückig mit dieser ausgebildeter Hitzeschild 24 vorgesehen, der in ei¬ nen zylindrischen Kragen 34 übergeht. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann der Hitzeschild bei bestimmten Aus¬ führungsformen eine Sekundärluftbelochung aufweisen, um der Brennkammer neben der durch die Düse zugeführten Brennluft Sekundärluft zuzuführen, insbesondere verdrallte Sekundär¬ luft.
Obwohl prinzipiell auch Ausführungsformen denkbar sind, bei denen beispielsweise die Brennkammer 12 (oder andere der genannten Komponenten) zumindest teilweise aus Stahl herge¬ stellt ist, wird bevorzugt, dass die Brennkammer 12, die Prallscheibe 16, die Düse 20 beziehungsweise der Hitze¬ schild 24 sowie das Flammrohr 22 aus einem keramischen O- xid/Oxid-Faserverbundwerkstoff hergestellt sind. Im darge¬ stellten Fall sind sämtliche der genannten Komponenten durch einen Formschluss-Fügeprozess miteinander verbunden, wie dies nachfolgend im Zusammenhang mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens noch näher erläutert wird.
Um zu dem in Figur 1 näher dargestellten Brenner zu gelan¬ gen, kann das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt durchge- führt werden. Zunächst werden das Flammrohr 22, die Brenn¬ kammer 12, die Prallscheibe 16 und das die Düse 20 sowie den Hitzeschild 24 bildende Bauteil unter Einsatz an sich bekannter Laminiertechniken aus einem Oxid/Oxid-Faserver- bundwerkstoff hergestellt, insbesondere dem eingangs näher erläuterten Werkstoff. Bei der Herstellung des die Düse 20 beziehungsweise den Hitzeschild 24 bildenden Bauteils ist als Besonderheit zu erwähnen, dass die Zündeinrichtung 18 über einen Fügeprozess direkt in die zähe Faserkeramik ein¬ geschoben wurde, derart, dass sich eine Presspassung im Durchbruch 52 mit dem Bauteil ergibt. Daher können auch diesbezüglich aufwendige Verbindungstechniken entfallen. Zur Montage des Brenners wird zunächst die Prallscheibe 16 in die Brennkammer 12 eingeführt, derart, dass sie an einem von der Brennkammer 12 gebildeten umlaufenden Steg 32 an¬ liegt. Anschließend wird das die Düse 20 und den Hitze¬ schild 24 bildenden Bauteil, das bereits die Zündeinrich¬ tung 18 trägt, mit dem Kragen 34 in die Brennkammer 12 ein- gesetzt.
Die Abmessungen sind dabei so gewählt, dass der Kragen 34 die Prallscheibe 16 im Zusammenwirken mit dem Steg 32 fest¬ klemmt. Anschließend wird eine erste Klemmvorrichtung 44 in Form eines ersten Spannrings verwendet, um einen ersten Flansch 36 der Brennkammer 12 mit einem dritten Flansch 40 zu verbinden, der sich in der dargestellten Weise senkrecht zu dem Kragen 34 erstreckt. Der erste Spannring 44 kann ge¬ gebenenfalls zumindest leicht V-förmig ausgebildet sein, um den ersten Flansch 36 und den dritten Flansch 40 aufeinan¬ der zu vorzuspannen. Anschließend wird das Flammrohr 22 be¬ festigt, ebenfalls über einen Klemm-Fügeprozess. Zu diesem Zweck weist die Brennkammer 12 einen zweiten Flansch 38 auf, der mit einem durch das Brennrohr 22 gebildeten vier- ten Flansch 42 zusammenwirkt, indem der zweite Flansch 38 und der vierte Flansch 42 über einen zweiten Spannring 46 aufeinander zu vorgespannt werden. Eine aus dem keramischen Material hergestellte Prallscheibe kann durch die Porosität des Materials auch teilweise eine Verdampferfunktion einnehmen, indem das Material Brenn¬ stofftropfchen aus der Düse zwischenspeichert und einer kontrollierten Verdampfung zuführt, was zu einer guten Brennstoff-Aufbereitung und damit zu einer sehr sauberen Verbrennung führt. Im Falle einer Stahl-Prallscheibe können diese Tröpfchen unter Umständen durch den Leidenfrost-Ef¬ fekt von der heißen, glatten Oberfläche abspringen und durch die Brennluft in den stromabwärtigen Teil des Bren¬ ners geführt werden. Dies kann zu einer unvollständigen Verbrennung und schlechten Abgaswerten führen.
In Figur 2 ist lediglich die Brennkammer eines ansonsten nur in Blockform dargestellten Heizgerätes 10 näher darge¬ stellt. Die Brennkammer 12 ist einstückig mit einer Brenn¬ stoffdüse 20 und einem als Hitzeschild 24 wirkenden Ab¬ schnitt ausgebildet, und zwar aus einem keramischen 0- xid/Oxid-Faserverbundwerkstoff. Zur Erzeugung der darge- stellten Geometrie können an sich bekannte Laminierverfah¬ ren eingesetzt werden. Eine mechanische Nachbearbeitung durch Bohren, Fräsen, Sägen, Feilen und so weiter kann in diesem wie auch in allen anderen Fällen ebenfalls vorgenom¬ men werden, wenn dies erforderlich ist. Als Besonderheit ist auch in diesem Fall hervorzuheben, dass die Zündein¬ richtung 18 direkt in die zähe Faserkeramik eingeschoben wurde, ohne aufwendige Verbindungstechniken einzusetzen. Durch das Einschieben der Zündeinrichtung 18 ergibt sich im Bereich des Hitzeschilds 24 ein Brennkammerdurchbruch 54. Hinter dem Brennkammerauslass 48 erstreckt sich vorzugs¬ weise ein nicht dargestelltes Flammrohr, das einen Sekun¬ därbrennraum bilden kann. Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines insgesamt lediglich als Block angedeuteten Heizgerätes 10, wobei auch in diesem Fall lediglich die Brennkammer 12 näher darge¬ stellt ist. Das Heizgerät 10 von Figur 3 weist einen soge- nannten Verdampferbrenner auf, bei dem ein saugfähiges Ele¬ ment zur Verdampfung des flüssigen Brennstoffs vorgesehen ist. Bei bekannten Verdampferbrennern sind die saugfähigen Elemente durch Verdampfer-Vliese aus gesinterten Stahlfa¬ sern gebildet, die jedoch empfindlich gegenüber Überhitzung und Abbrand sind. Gemäß der Darstellung von Figur 3, bei der die Zündeinrichtung nicht dargestellt ist, ist ein ins¬ gesamt mit 14 bezeichnetes Verdampfer-Vlies vorgesehen, dem über eine Brennstoffleitung 56 flüssiger Brennstoff zuge¬ führt wird. Das Verdampfer-Vlies 14 ist aus einem kerami- sehen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff hergestellt und weist einen ersten Abschnitt 14a sowie einen zweiten optionalen Abschnitt 14b auf Der zweite Abschnitt 14b des Verdampfer- Vlieses 14 bildet einen Wandabschnitt der Brennkammer 12, so dass die für den Verdampfungsprozess wirksame Oberfläche sehr groß ist. Obwohl die Brennkammer 12 prinzipiell auch aus Stahl hergestellt sein kann, wird bevorzugt, dass auch die Brennkammer 12 aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faser¬ verbundwerkstoff besteht. Wenn die Brennkammer 12 bezogen auf die Darstellung von Figur 3 eine obere Brennkammer- hälfte und eine untere Brennkammerhälfte aufweist, kann die Montage der dargestellten Baugruppe beispielsweise so er¬ folgen, dass das Verdampfer-Vlies zunächst in eine der Ge¬ häusehälften eingesetzt wird und die Brennkammer 12 an¬ schließend durch die andere Gehäusehälfte komplementiert wird. Gemäß der Darstellung von Figur 3 ist ein in der Brennkammer 12 umlaufender Steg 32 vorgesehen, der das Ver¬ dampfer-Vlies 14 axial festlegt, so dass sich aufgrund der aufeinander abgestimmten Geometrien insgesamt eine Klemm- Befestigung des Verdampfer-Vlieses 14 ergibt. Obwohl dies nicht dargestellt ist, ist es prinzipiell ebenfalls mög¬ lich, die Brennkammer 12 und das Verdampfer-Vlies 14 einstückig auszubilden. In diesem Fall sind die zur Brenn- Stoffverdampfung vorgesehenen Bereiche der Brennkammer 12 saugfähig ausgestaltet, während der Außenbereich der Brenn¬ kammer 12 vorzugsweise dicht ist, um ein Austreten von Brennstoff zu vermeiden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste:
10 Heizgerät
12 Brennkammer
14 Verdampfer-Vlies
14a erster Abschnitt
14b zweiter Abschnitt
16 Prallscheibe
18 Zündeinrichtung
20 Brennstoffdüse
22 Sekundärbrennbereich/Flammrohr
24 Hitzeschild
26 Brennstoffnade1
28 Startkammer
30 Prallseheibendurchbrüche
32 Steg
34 Kragen
36 erster Flansch
38 zweiter Flansch dritter Flansch vierter Flansch erste Klemmvorrichtung/erster Spannring zweiter Spannring Brennkammerauslass Sekundärbrennraumauslass Durchbruch Brennkammerdurchbruch Brennstoffleitung

Claims

ANSPRÜCHE
1. Mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betriebenes Heizgerät (10) , insbesondere Kraftfahrzeugheizgerät (10) , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der folgenden Komponenten (12-24) ganz oder teilweise aus einem kerami¬ schen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff hergestellt und durch einen Formschluss-Fügeprozess befestigt ist: Brennkammer (12) oder Teil der Brennkammer (12), Verdampferelement (14; 16) , Prallscheibe (16) , Zündeinrichtung (18) , Brennstoffdu- se (20) , Sekundärbrennbereich/Abgasleitung (22) , Hitze¬ schild (24) .
2. Heizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff durch
Anwenden eines Sinterprozesses auf ein hochfestes Faserge¬ webe und eine Matrix aus porösem Mullit hergestellt ist.
3. Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass die Brennkammer (12) zumindest teilweise aus
Stahl hergestellt ist.
4. Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Brennkammer (12) und die Brennstoffdüse (20) einstückig aus dem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerk¬ stoff hergestellt sind.
5. Heizgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, dass das Verdampferelement ein Vlies (14) umfasst.
6. Verfahren zur Herstellung eines mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff betriebenen Heizgeräts (10) , insbe¬ sondere eines Kraftfahrzeugheizgeräts (10) , dadurch gekenn¬ zeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
- Herstellen, ganz oder teilweise, zumindest einer der folgenden Komponenten (12-24) aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff: Brennkammer (12) oder Teil der Brennkammer (12) , Verdampferelement (14; 16), Prallscheibe (16) , Zündeinrichtung (18) , Brennstoff- düse (20) , Sekundärbrennbereich/Abgasleitung (22) , Hitzeschild (24) , und
Fügen der Komponente (12-24) durch einen Formschluss- Fügeprozess etc....
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff durch Anwenden eines Sinterprozesses auf ein hochfestes Faserge¬ webe und eine Matrix aus porösem Mullit hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Geometrie der Komponente (12-24) durch ein Laminierverfahren festgelegt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (12) zumindest teil¬ weise aus Stahl hergestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (12) und die Brenn¬ stoffdüse (20) einstückig aus dem keramischen Oxid/Oxid- Faserverbundwerkstoff hergestellt werden.
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