DE10029095C2

DE10029095C2 - Verfahren zur emissionsfreien Beheizung von Kraftfahrzeug-Innenräumen durch Einwirkung von elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen) auf semileitfähige Organopolysiloxan-Elastomere und deren Umwandlung in Wärmeenergie.

Info

Publication number: DE10029095C2
Application number: DE2000129095
Authority: DE
Inventors: Renate Kurda; Karsten Kurda; Ingo Kurda
Original assignee: RCC POLYMERTECHNIK GmbH
Current assignee: RCC POLYMERTECHNIK GmbH
Priority date: 2000-06-13
Filing date: 2000-06-13
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2020-06-14
Also published as: DE10029095A1

Description

Die vorliegende Erfindung gehört in das Gebiet der emissionsfreien Energieumwandlung durch Einwirkung von elektromagnetischen Wellen auf semileitfähige Organopolysiloxan-Elastomere zur Gewinnung von Wärmeenergie, mit der die Beheizung von kleinen Innenräumen vorzugsweise von Kraftfahrzeugen betrieben werden, die dem Oberbegriff in Anspruch 1 entspricht.

Allgemeiner Stand der Technik sind Elektro- oder Kraftstoffheizungen. Dabei haben die direkt betriebenen Elektroheizungen einen hohen Energiebedarf und können nur mit externem Energiezugang betrieben werden.

Die Kraftfahrzeugheizung, die im Fahrzeug betrieben wird, hat den großen Nachteil, dass bei der Kraftstoffverbrennung Schadstoffe bzw. schädliche Abgase in die Atmosphäre ausgestoßen werden und umweltschädlich sind.

Als ermittelter Stand der Technik ist die europäische Patentschrift EP 0633 171 B1/DE 694 08 046 T2 zu nennen. Eine Vorrichtung mit einer aufheizbaren Schicht aus einem Polydiorganosiloxan Elastomer, die im Verbund mit einem gegen Wärme isolierenden Fausthandschuh in einem handelsüblichen Mikro wellenofen bei 700 W Leistung eingebracht und auf max. 71°C aufgeheizt wird. Danach wird die Vorrichtung aus dem Mikrowellenofen entnommen und per Hand auf die Fahrzeugwindschutzscheibe aufgesetzt. Die in der gummiartigen Schicht gespeicherte Wärme wird mit dem Eis, Schnee oder Reif in Kontakt gebracht und der Schmelzprozess bewirkt. Auf diese Weise können Automobil windschutzscheiben und Fenster vom Eis befreit werden, ohne dass ein Automotor warm gefahren werden muss. Die Vorrichtung zum Enteisen und Entfrosten von Windschutzscheiben wird durch einen externen Mikrowellenofen erwärmt und per Hand angewandt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur emissionsfreien Beheizung von kleineren Innenräumen vorzugsweise von Kraftfahrzeugen.

Die Schwerpunkte liegen in der direkten Umwandlung von elektromagnetischen Wellen in Wärmeenergie. Die Umwandlung erfolgt in einem semileitfähigen Siliconelastomer auf Organopolysiloxanbasis.

Die hier eingesetzten Siliconelastomere sind vor der Vernetzungsreaktion mit fein- und homogenverteilten, elektrisch leitfähigen Füllstoffen, wie z. B. mit Rußen bestimmter Struktur und Leitfähigkeit, angereichert worden.

Die technische Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Werkstoffe, in diesem Fall sind es die additionsvernetzten Organopolysiloxane, die durch neue rationelle Syntheseverfahren die Flüssigsilicone (LSR/Liquid Silicone Rubber) hervorbrachten, zeigt einen deutlichen Fortschritt. Sie sind mit noch besseren Eigenschaften für die Anforderungen ausgestattet und liegen auch im Preis wesentlich niedriger als die RTV-2 Systeme. Sie heben wegen ihrer hohen Dauerwärmebeständigkeit (200°C) und der Empfehlung des Gesundheitsamtes (BGA) zur Herstellung von Bedarfsgegenständen im Sinne des Lebensmittel- und Bedarfsgegenständegesetzes hier ihren Einsatz gefunden.

Durch die Einwirkung von elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen) auf die im Siliconelastomer eingebetteten, elektrisch leitfähigen Festkörperteilchen, z. B. Rußpartikel, wird im Innern elektromagnetische Energie in Wärme umgewandelt. Hierfür sind eine Reihe von Effekten, wie Dipoländerungen, Dehnung von Molekülen, Ionenleitung und Grenzflächenpolarisation verantwortlich. Dadurch wird die Wärme im Innern des Elastomerkörpers homogen verteilt erzeugt (Volumenerwärmung) und so eine gleichmäßigere und schnelle Erwärmung erreicht.

Bei schnellen Richtungswechseln des äußeren elektrischen Feldes kann die Bewegung der elementaren Dipole diesem Wechsel nur verzögert folgen. Der hierbei entstehende Nachlauf der Dipole wird durch den Verlustwinkel tanδ charakterisiert. Sind die Dipole in einem Molekülverband schwer beweglich, so wird der Verlustwinkel tanδ groß und bei der Dipolbewegung wird viel Wärme erzeugt.

Um eine energiesparende Heizungsmethode mit einem verhältnismäßig hohem Wirkungsgrad zu entwickeln, wurde der Energieprozess von elektrisch leitfähigen, additionsvernetzten Siliconelastomeren mit der Entwicklung von Mikrowellen im niederen Leistungsbereich vorgenommen.

Die vorliegende Erfindung nach Anspruch 1 bezieht sich auf eine Vorrichtung mit der in Organopolysiloxan-Elastomeren eingebettete, elektrisch leitfähige Festkörperteilchen durch die Einwirkung von elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen) im Innern des Elastomerkörpers Wärmeenergie erzeugt wird.

Die Vorrichtung enthält Elastomerkörper nach Anspruch 2 die so angeordnet sind, dass die Elastomeroberflächen mit Luft ständig ganzflächig zwangs umströmt werden.

Als Elastomerkörper sind Platten mit Schichtdicken von 10 mm bis 40 mm ausgewählt worden. Damit die innere Volumenerwärmumg gleichmäßig gesteuert werden kann, wurden die Kanten der Elastomerkörper nach Anspruch 3 mit großen Radien gerundet. Zur Vergrößerung der Elastomeroberflächen wurden nach Anspruch 4 raue Oberflächen geschaffen. Dadurch wird der Wirkungsgrad zur Wärmeableitung erhöht.

Die Elastomerkörper werden nach Anspruch 5 von einem extern erzeugten Luftstrom umströmt, mit dem die übertragene Wärme in den zu beheizenden Raum abgeführt wird. Die elektrisch leitfähigen Elastomerkörper haben nach Anspruch 6 einen spezifischen elektrischen Widerstand von 5 bis 200 Ωcm und sind zur steckbaren Befestigung in der Strahlungskammer nach Anspruch 7 mit mindestens zwei Sacklöchern versehen. Die Stromversorgung des Mikrowellen generators kann nach Anspruch 8 wahlweise von der Fahrzeugbatterie oder einer externen Stromquelle vorgenommen werden.

Die erreichten Ergebnisse zeigen, dass hier für den allgemeinen Bedarf ein emissionsfreies, umweltfreundliches und preisleistungsstarkes Verfahren für die Beheizung von kleinerungen Innenräumen vorliegt.

Die Erfindung wird im folgenden durch praktische Beispiele dargestellt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Für die vorliegenden Beispiele wird die elektromagnetische Energie umwandlung in Wärme aufgrund der Temperatursteigerung (°C) auf und im elektrisch leitfähigen Siliconelastomerkörper per Zeiteinheit in Minuten gemessen.

Im ersten Schritt werden Probekörper aus dem elektrisch leitfähigem Organopolysiloxan in Form von Quadern hergestellt.

Das verwendete Reaktionsmaterial für die Probekörper ist ein mit einem Rußgemisch gefüllter Flüssigsiliconkautschuk (Liquid Silicone Rubber/LSR). Alle Probekörper wurden unter gleichen Reaktionsbedingungen vernetzt. Für die Messung der aus der Energieumwandlung entstehenden Wärme wurden 10 Probekörper hergestellt.

Die elektromagnetische Energieumwandlung in Wärme wurde mit zwei verschiedenen HF-Leistungsstufen vorgenommen.

Die Probekörper wurden im Strahlungskammerraum vom Zentrum der Mitte ausgehend angeordnet.

Materialeigenschaften und Abmessungen des elektrisch leitfähigen Elastomerkörpers:

- Spez. elektrischer Widerstand 50-80 Ωcm

Probekörper:
Abmessung: 80 × 40 × 20 mm
Volumen: 64 cm³
Fläche: 144 cm²
Gewicht: 70 g
Härte Shore A: 40

Weitere Verfahrensparameter sind:
HF-Frequenz: 2450 MHz
Ausgangsleistung: 90 und 180 Watt
Luftvolumen der Strahlungskammer: etwa 25 Liter

Beispiel 1

Es wurden die hergestellten Quader aus elektrisch leitfähigen Siliconelastomer in die Strahlungskammer im Zentrum von der Mitte ausgehend eingelagert.

Ausführung 1

1 Probekörper:
Abmessungen: 80 × 40 × 20 mm
Ausgangstemperaturen:
Strahlungskammer: 23°C
Probekörper: 25°C
Raumtemperatur 23°C
Durchführung:
Mikrowellenenergie: 90 Watt
Frequenz: 2450 MHz

Tabelle 1

Einwirkzeiten der elektromagnetischen Wellen und Messung der Temperatursteigerung auf und im Probekörper

Der Probekörper hat sich in seinem Gesamtvolumen und den Oberflächen innerhalb von 10 Minuten im Mittel auf 193°C erwärmt. Dabei stieg die Lufttemperatur in der Strahlungskammer von 23°C auf 28°C an.

Beispiel 2

Ausführung 2

1 Probekörper:
Abmessungen: 80 × 40 × 20 mm
Ausgangstemperaturen:
Strahlungskammer: 23°C
Probekörper: 24°C
Raumtemperatur: 24°C
Durchführung:
Mikrowellenenergie; 180 Watt
Frequenz; 2450 MHz

Tabelle 2

Bei Verdopplung der Mikrowellenenergie von 90 auf 180 Watt steigt die Temperatur im Probekörper steil an, so dass nach 8 Minuten Einwirkzeit die Mikrowellenenergie abgeschaltet werden musste. Innerhalb von 8 Minuten wurde die Temperatur auf rund 270°C gesteigert. Die Lufttemperatur in der Strahlungskammer steigerte sich von 24°C auf 30°C.

Beispiel 3

Gemäß der Arbeitsweise des Beispiels 2. Hier wurden 7 Probekörper bei gleicher Mikrowellenenergie von 180 Watt eingelagert.

Ausführung 3

7 Probekörper:
Abmessungen: 80 × 40 × 20 mm
Volumen: 448 cm³
Fläche: 1008 cm²
Gewicht: 490 g
Ausgangstemperaturen:
Strahlungskammer: 24°C
Probekörper: 25°C
Raumtemperatur: 23°C
Durchführung:
Mikrowellenenergie: 180 Watt
Frequenz: 2450 MHz

Tabelle 3

Trotz der 7 fachen Masse wurde die Temperatur innerhalb von 10 Minuten auf 150°C gesteigert.

Dabei stieg die Temperatur in der Strahlungskammer auf 34°C an.

Die durch elektromagnetische Energieumwandlung entstandene Wärmeenergie zeigt einen guten Wirkungsgrad, der umgerechnet bei etwa 41% liegt.

Aus dem Ergebnis des exponentialen Temperaturanstiegs am Probekörper ist es notwendig, dass die Energiezufuhr von Mikrowellen bei einem niedrigen Energieniveau angesiedelt wird.

Durch Luftzufuhr wird die Wärme gut in den zu beheizenden Raum abgeführt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer zur Durchführung des Verfahrens konstruierten Vorrichtung als Mikrowellenheizkammer.

Bezugszeichenliste

1

Strahlungskammer/Heizraum

2

Netzteil

3

Kühlgebläse

4

Magnetron

5

Koppelstift

6

Hohlleiter

7

Einkopplung

8

Wellenrührer

9

Heizplatten aus elektrisch leitfähigen Siliconelastomer/LSR

10

Lüfter

11

Luftzufuhrkanäle

12

Lochblech

13

Außengehäuse/metallischer Außenmantel

14

gelochte Kopfplatte zur Warmluftabführung

Claims

1. Verfahren zur emissionsfreien Beheizung von Kraftfahrzeug- Innenräumen, gekennzeichnet durch Einwirkung von elektromagnetischen Wellen (Mikrowellen) auf semileitfähige Organopolysiloxan-Elastomere wobei die Mikrowellen auf im Elastomer eingebettete, elektrisch leitfähige Festkörperteilchen einwirken, und im Innern des Elastomerkörpers Wärmeenergie erzeugen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Elastomerkörper derart in einem Luftstrom angeordnet ist /sind, dass seine/ihre Oberfläche(n) allseitig mit Luft umströmt wird/ werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerkörper eine Dicke von 10 bis 40 mm aufweisen und ihre Kanten mit einem Radius von mindestens R12 gerundet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerkörper eine raue Oberfläche mit einer maximalen Rautiefe von 100 µm aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerkörper eine Strahlungskammer bilden, die von einem extern erzeugten Luftstrom durchströmt wird, welcher die erzeugte Wärme in den zu beheizenden Raum befördert.

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerkörper einen spezifischen elektrischen Widerstand von 5 bis 200 Ωcm aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerkörper jeweils wenigstens zwei Sacklöcher zur steckbaren Befestigung aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung des Mikrowellengenerators wahlweise über die Fahrzeugbatterie oder von einer externen Stromquelle erfolgt.