Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffverdamp- ferelement für ein mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeugheizgerät.

Die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes ist bei unter¬ schiedlichen Heizgerätetypen erforderlich, um auch bei tie- fen Brennluft-Temperaturen den Brennstoff kontrolliert und vollständig in die Gasphase zu überführen, um das Brennver¬ halten zu verbessern. Beispielsweise existieren sogenannte Verdampferbrenner, bei denen ein saugfähiges Brennstoffver¬ dampferelement vorgesehen ist, dem flüssiger Brennstoff zu- geführt wird. Als saugfähiges Element wird dabei iri der Re¬ gel ein Verdampfer-Vlies aus gesinterten Stahlfasern ver¬ wendet. Derartige Verdampfer-Vliese aus gesinterten Stahl¬ fasern sind jedoch vom Materialpreis her sehr teuer und an¬ dererseits von der Verabreitung sehr aufwendig. Weiterhin sind sie empfindlich gegenüber Überhitzung und Abbrand, insbesondere auf der der Flamme zugewandten Seite.

Bei sogenannten Injektionsbrennern wird eine Mischung aus Brennluft und flüssigem Brennstoff über eine Brennstoffdüse eingebracht, insbesondere eine Venturidüse oder eine Zer¬ stäuberdüse. Bei derartigen Brennern ist es bekannt, gegen¬ über dem Auslass der Brennstoffdüse eine Prallscheibe anzu-

ordnen, die unter anderem dazu dient, auftreffende Brenn¬ stofftropfen zu verdampfen. Daher wird die Prallscheibe im vorliegenden Zusammenhang ebenfalls als ein Brennstoffver¬ dampferelement betrachtet. Üblicherweise ist die Prall- Scheibe aus Stahl hergestellt und beispielsweise über eine Schweißverbindung in der Brennkammer befestigt. Auch in diesem Fall sind die Materialkosten hoch. Weiterhin ist die Befestigung der Prallscheibe aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemä¬ ßen Brennstoffverdampferelemente derart weiterzubilden, dass die Herstellungskosten gesenkt werden und gleichzeitig der Einsatz bei höheren Temperaturen möglich wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge¬ löst.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Er¬ findung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Das erfindungsgemäße Brennstoffverdampferelement baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass es aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff her¬ gestellt ist. Derartige Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoffe sind vom Materialpreis her günstiger als die bisher einge¬ setzten Stähle. Darüber hinaus können die bisher eingesetz¬ ten Stähle lediglich Temperaturen von ungefähr 1200 ⁰ C überstehen. Im Gegensatz hierzu können die erfindungsgemäß verwendeten keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoffe bei Temperaturen bis zu 1500 ⁰ C eingesetzt werden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffverdampferelements ist vorgesehen, dass der kera¬ mische Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff durch Anwenden eines Sinterprozesses auf ein hochfestes Fasergewebe und eine Matrix aus porösem Mullit hergestellt ist. Anstelle von Mullit können gegebenenfalls auch andere keramische Nano- partikel verwendet werden. Ein derartiger keramischer O- xid/Oxid-Faserverbundwerkstoff ist beispielsweise in der Dissertation "Kolloidale Herstellung und Entwicklung eines neuen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoffes" von R. Simon (Mon¬ tana 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.

Insbesondere im Zusammenhang mit den eingangs erwähnten Verdampferbrennern wird bevorzugt, dass das erfindungsge- mäße Brennstoffverdampferelement ein Vlies umfasst. Kommt statt des Grundstoffs Stahl ein Verdampfer-Vlies aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff zum Einsatz, so

besteht die Möglichkeit, das Vlies und insbesondere die Vliesoberfläche temperaturmäßig höher zu belasten.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffverdampferelements sieht vor, dass es eine Brenn¬ kammer zumindest abschnittsweise bildet. Beispielsweise ist es möglich, die gesamte Brennkammer aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff herzustellen, wobei in die¬ sem Fall große Teile der Brennkammer als Verdampferfläche benutzt werden können.

Insbesondere im Zusammenhang mit Injektions- und Düsenbren¬ nern wird für das erfindungsgemäße Brennstoffverdampferele- ment bevorzugt, dass es durch eine Prallscheibe gebildet ist. Durch diese Lösung ergibt sich der zusätzliche Vor¬ teil, dass die Prallscheibe durch einen Formschluss-Fü- geprozess in der Brennkammer befestigt werden kann, so dass beispielsweise auf aufwendige Schweißverbindungen verzich¬ tet werden kann. Beispielsweise eine Befestigung durch Schrauben kann entweder durch externe Schrauben erfolgen, die in die Keramik eingedreht werden, oder indem das Vlies an seiner zylindrischen Außenseite als Gewinde ausgeformt ist, das in die ebenfalls mit Gewindegängen versehenen Brennkammer eingedreht wird. Weiterhin ist es möglich, die aus dem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff herge¬ stellte Prallscheibe auf höhere Temperaturen zu erhitzen als dies bei der Verwendung von Stahl möglich wäre. Dadurch ergeben sich Vorteile bei der Verdampfung von auf die Prallscheibe auftreffenden Brennstofftropfen.

Jedes mit flüssigem Brennstoff betriebene Heizgerät, insbe¬ sondere jedes Kraftfahrzeugheizgerät, das ein erfindungsge-

mäßes Brennstoffverdampferelement aufweist, fällt in den Schutzbereich der zugehörigen Ansprüche.

Wesentlich für die Erfindung ist die Erkenntnis, dass mo- derne Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoffe, die insbesondere als Thermalschutz 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 bessere Funktionsweise sowie eine höhere Lebensdauer erreicht wird und dass eine preisgünstigere und zuverlässigere Fertigungsmethode zur Verfügung gestellt wird. Als Formschluss-Fügeprozess kommen beispielsweise die folgenden Befestigungsmöglichkeiten in Betracht: Verschrauben, Klipsen, Rasten, Presspassung, di¬ rektes Verbinden bei der Herstellung (Laminierung) der Fa¬ serkeramik im Grünzustand und insbesondere Klemm-Fügepro- zesse. Im Zusammenhang mit einer Verschraubung kann zusätz¬ lich oder alternativ zum Einsatz herkömmlicher Schrauben in besonders vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass ein¬ zelne Komponenten mit Außengewinden versehen sind, die mit in anderen Komponenten zusammenwirkenden Innengewinden zu- sammenwirken. Beim Stand der Technik ist die Verbindung zwischen Stahl und Keramik sehr aufwändig, da sich insbe¬ sondere bei Vibrationsbeanspruchung des Bauteils die Ver¬ bindung zwischen der härteren Keramik und dem weicheren Stahlfügepartner lockert (Abrasion / Abnutzung) und der Ke- ramik - da spröde - eine Beschädigung droht. Die Zähig¬ keit/Elastizität der erfindungsgemäß eingesetzten Keramik erlaubt die oben genannten Fügeprozesse, da durch die elas-

tische Vorspannung immer eine einstückige Verbindung der Fügepartner gewährleistet wird. Damit ist ein sich Freiar¬ beiten der Keramik bei Vibrationen ausgeschlossen.

Die vorliegende Erfindung kann insbesondere in Verbindung mit sogenannten Verdampferbrennern eingesetzt werde. Dies schließt jedoch den Einsatz bei anderen Brennertypen, bei¬ spielsweise bei Injektionsbrennern oder Zerstäuberbrennern, nicht aus, sofern auch dort der Einsatz eines Verdampfer- elements vorgesehen ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfol¬ gend anhand der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft erläu¬ tert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoff-

Verdampferelements aufweisenden Brenners für ein mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät; und

Figur 2 eine schematische Darstellung einer eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoff- Verdampferelements aufweisende Brennkammer für ein mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizge¬ rät.

Figur 1 zeigt schematisch die hier interessierenden Kompo- neten eines Injektionsbrenners für ein mit flüssigem Brenn-

Stoff betriebenes Heizgerät 10, das als solches lediglich als Block angedeutet ist. Der Brenner umfasst eine Brenn¬ kammer 12 in der eine unter anderem zur Verdampfung von Brennstoff vorgesehene Prallscheibe 16 angeordnet ist, die eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenn- stoffverdampferelementes darstellt. Zusätzlich kann diese Prallscheibe in gewissen Brennerausführungen auch als Drallkörper ausgebildet sein, was ihre Eigenschaft als po¬ tentielle Verdampfungsfläche jedoch nicht verändert. Die Prallscheibe 16 weist Prallscheibendurchbrüche 30 auf, von denen lediglich zwei dargestellt sind. Eine aus dem kerami¬ schen Material hergestellte Prallscheibe kann durch die Po¬ rosität des Materials auch teilweise eine Verdampferfunk¬ tion einnehmen, indem das Material Brennstofftropfchen aus der Düse zwischenspeichert und einer kontrollierten Ver¬ dampfung zuführt, was zu einer guten Brennstoff-Aufberei¬ tung und damit zu einer sehr sauberen Verbrennung führt. Im Falle einer Stahl-Prallscheibe können diese Tröpfchen unter Umständen durch den Leidenfrost-Effekt von der heißen, glatten Oberfläche abspringen und durch die Brennluft in den stromabwärtigen Teil des Brenners geführt werden. Dies kann zu einer unvollständigen Verbrennung und schlechten Abgaswerten führen. Darüber hinaus ist der Prallscheibe ei¬ ne Startkammer 28 zugeordnet, in die in an sich bekannter Weise eine Zündeinrichtung 18 ragt (siehe hierzu auch meine Bemerkungen im Patententwurf P2922DE) . Bezogen auf die Dar¬ stellung von Figur 1 ist links neben der Brennkammer 12 ein Flammrohr 22 angeordnet, das einen Sekundärbrennraum bildet und über einen Brennkammerauslass 48 mit der Brennkammer 12 in Verbindung steht. Ein Sekundärbrennraumauslass 50 steht mit einer hier nicht dargestellten Abgasanlage in Verbin¬ dung, die zumindest teilweise ebenfalls aus einem kerami-

sehen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff gebildet sein kann. Rechts von der Prallscheibe 16 ist eine Brennstoffdüse 20 in Form einer Venturidüse angedeutet. Durch eine Fertigung der Venturidüse aus dem porösen Material kann gegebenen- falls eine gewisse Verdampfereigenschaft der Düsenwände be¬ züglich Brennstoffniederschlägen vorteilhaft verwirklicht werden. In die Brennstoffdüse 20 ragt eine hier nicht näher interessierende Brennstoffnadel 26, wie dies an sich eben¬ falls bekannt ist. Benachbart zur Brennstoffdüse 20 ist ein einstückig mit dieser ausgebildeter Hitzeschild 24 vorgese¬ hen, der in einen zylindrischen Kragen 34 übergeht. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann der Hitzeschild bei be¬ stimmten Ausführungsformen eine Sekundärluftbelochung auf¬ weisen, um der Brennkammer neben der durch die Düse zuge- führten Brennluft Sekundärluft zuzuführen, insbesondere verdrallte Sekundärluft.

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 nicht nur die das Brenn¬ stoffverdampferelement bildende Prallscheibe 16, sondern auch die Brennkammer 12, die Düse 20 beziehungsweise der Hitzeschild 24 sowie das Flammrohr 22 aus einem keramischen Oxid/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 der Montage des Brenners noch näher erläutert wird.

Um zu dem in Figur 1 näher dargestellten Brenner zu gelan¬ gen, kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden. Zu-

nächst werden das Flammrohr 22, die Brennkammer 12, die Prallscheibe 16 und das die Düse 20 sowie den Hitzeschild 24 bildende Bauteil unter Einsatz an sich bekannter Lami- niertechniken aus einem Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff hergestellt. Bei der Herstellung des die Düse 20 bezie¬ hungsweise den Hitzeschild 24 bildenden Bauteils ist als Besonderheit zu erwähnen, dass die Zündeinrichtung 18 über einen Fügeprozess direkt in die zähe Faserkeramik einge¬ schoben wurde, derart, dass ein Durchbruch 52 in dem Bau- teil entsteht. Dadurch können auch diesbezüglich aufwendige Verbindungstechniken entfallen. Andererseits ist die Kera¬ mik auch im gesinterten Zustand zäh und nicht alle Zündein¬ richtungen sind dazu geeignet, einem Sinterprozess ausge¬ setzt zu werden. Daher kann alternativ das Einschieben der Zündeinrichtung in die fertige Keramik als Presspassung vorgesehen sein.

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 bildende Bauteil, das bereits die Zündeinrichtung 18 trägt, mit dem Kragen 34 in die Brennkammer 12 einge¬ setzt.

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.

Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsge¬ mäßen Brennstoffverdampferelements aufweisende Brennkammer für ein mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät 10, das als solches lediglich als Block angedeutet ist. Die in Figur 2 dargestellte Brennkammer ist Bestandteil eines so¬ genannten Verdampferbrenners, 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 2, bei der die Zündeinrichtung nicht dargestellt ist, ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffver¬ dampferelements 14 in Form eines Verdampfer-Vlieses vorge- sehen, das aus einem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbund¬ werkstoff hergestellt ist. Dem Verdampfer-Vlies 14 wird ü- ber eine Brennstoffleitung 56 flüssiger Brennstoff zuge¬ führt. Das Verdampfer-Vlies 14 weist einen ersten Abschnitt 14a sowie einen zweiten Abschnitt 14b auf. Der zweite Ab- schnitt 14b des Verdampfer-Vlieses 14 bildet einen Wandab¬ schnitt der Brennkammer 12, so dass die für den Verdamp- fungsprozess wirksame Oberfläche sehr groß ist. Obwohl die

Brennkammer 12 prinzipiell auch aus Stahl hergestellt sein kann, wird bevorzugt, dass auch die Brennkammer 12 aus ei¬ nem keramischen Oxid/Oxid-Faserverbundwerkstoff besteht. Wenn die Brennkammer 12 bezogen auf die Darstellung von Fi- gur 2 eine obere Brennkammerhälfte und eine untere Brenn¬ kammerhälfte aufweist, kann die Montage der dargestellten Baugruppe beispielsweise so erfolgen, dass das Verdampfer- Vlies 14 zunächst in eine der Gehäusehälften eingesetzt wird und die Brennkammer 12 anschließend durch die andere Gehäusehälfte komplettiert wird. Gemäß der Darstellung von Figur 2 ist ein in der Brennkammer 12 umlaufender Steg 32 vorgesehen, der das Verdampfer-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 prinzi¬ piell ebenfalls möglich, die Brennkammer 12 und das Ver¬ dampfer-Vlies 14 einstückig auszubilden. In diesem Fall sind die zur Brennstoffverdampfung vorgesehenen Bereiche der Brennkammer 12 saugfähig ausgestaltet, während der Au- ßenbereich der Brennkammer 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 Heizgerat

12 Brennkammer

14 Verdampfer-Vlies

14a erster Abschnitt

14b zweiter Abschnitt

16 Prallscheibe

18 Zündeinrichtung

20 Brennstoffdüse

22 Sekundärbrennbereich/Flammrohr

24 Hitzeschild

26 Brennstoffnadel

28 Startkammer

30 Pral1seheibendurchbrüche

32 Steg

34 Kragen

36 erster Flansch

38 zweiter Flansch

40 dritter Flansch

42 vierter Flansch

44 erste Klemmvorrichtung/erster Spannring

46 zweiter Spannring

48 Brennkammerauslass

50 Sekundärbrennraumaus1ass

52 Durchbruch

54 Brennstoffleitung