DE102009011910A1 - Surface element, useful e.g. as heating element for heating and polymerizing plastic sandwiches and drying and polymerizing coatings on substrate, comprises a flat substrate comprising structured electrically conductive knitted fabrics - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Flächenelement, dass funktionelle Keramiken enthält. Es ist zum thermischen Bearbeiten, d. h., Erwärmen und Polymerisieren von faserfreien Kunststoffen wie auch Faserverbundkunststoffen mit Fasern aus Karbon, Glas, Textil und dgl. und darüber hinaus von anderen Gütern und Objekten bei Einsatz von Keramiken, die selektiv transformiertes Infrarot emittieren, vorgesehen. Dabei sind unterschiedliche Arbeitsdrücke, verschiedene keramische Dotierungen und elektrisch leitenden Fasern mit selektiven Emission- bzw. Absorptionsspektren realisierbar.The The invention relates to a surface element that functional Contains ceramics. It is for thermal processing, d. h., heating and polymerizing fiber-free plastics as well as fiber reinforced plastics with fibers of carbon, glass, textile and the like and beyond of other goods and objects using ceramics that are selectively transformed Emit infrared provided. There are different working pressures, various ceramic dopants and electrically conductive fibers feasible with selective emission or absorption spectra.
Im Umkehrschluss ist die thermische Nutzung solcher Kunststoffe, Güter und Objekte zu Heiz-, Erwärmungs- und Kühlungszwecken möglich.in the Conversely, the thermal utilization of such plastics, goods and objects for heating, heating and cooling purposes possible.
Stand der TechnikState of the art
Auf dem in Rede stehenden Fachgebiet sind Werkstoffkombinationen in Form von Karbonheizungen auf der Basis von Karbonvlies seit langem bekannt, wobei das Karbonvlies als elektrischer Leiter wirkt und zu dem Zweck in Glasfaserverbundwerkstoffe, die überwiegend aus Epoxydharz bestehen, eingebettet ist. In jüngeren Verfahren und Einrichtungen werden selbstleitende Polymere auf der Basis von konventionellen leitfähigen Additiven als Nanoverbundwerkstoffe eingesetzt. In beiden Fällen unterstützen die elektrischen Leiter die Festigkeit der verwendeten Faserverbundwerkstoffe nicht oder nur unwesentlich. Im zweitgenannten Fall wirken die elektrischen Leiter weder festigkeitserhöhend noch als elektrischer Widerstand. Dadurch ist eine wesentliche Erwärmung des Kunststoffes bis in den Polymerisationsbereich hinein nicht realisierbar.On The subject area in question are material combinations in Form of carbon heaters based on carbon fiber for a long time known, wherein the carbon nonwoven acts as an electrical conductor and for the purpose in glass fiber composites, which are predominantly made of epoxy resin, is embedded. In more recent procedures and devices become self-conducting polymers based on conventional conductive additives as nanocomposites used. In both cases, the support electrical conductor the strength of the fiber composite materials used not or only insignificantly. In the second case, the electrical Ladder neither strength increasing nor electric Resistance. This is a significant heating of the Plastic can not be realized into the polymerization area.
Karbonvlies als elektrischer Widerstand weist auf Grund seiner unregelmäßigen Strukturierung unterschiedliche partielle Stromflüsse und Leistungsverteilungen. Das führt zu in ihrer Intensität voneinander abweichenden Erwärmungsbereichen im Faserverbundwerkstoff.carbon nonwoven As electrical resistance indicates due to its irregular Structuring different partial flows and Power distributions. This leads to their intensity deviating heating ranges in the fiber composite material.
Die Temperaturverteilung liegt hier beispielsweise bei einer beabsichtigten Temperatur auf einem Quadratmeter von 150°C oftmals im unzulässigen Bereich von 120 bis 170°C. Selbstleitende Polymere lassen bei Wahrung hoher Werkstofffestigkeiten nur relativ geringe elektrische Leistungen und damit geringe Erwärmungen zu.The Temperature distribution is here, for example, an intended Temperature on a square meter of 150 ° C often in the impermissible range of 120 to 170 ° C. even Chief Polymers leave relatively high while maintaining high material strengths low electrical power and thus low heating to.
Die erwähnten Werkstoffkombinationen weisen zwar Vorteile in Verbindung mit gewöhnlichen Heizungen, nämlich Karbonheizungen, und hinsichtlich ihrer antistatischen Eigenschaften auf, sind aber in Bezug auf die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung für der Fertigung von anspruchsvollen Faserverbundwerkstoffen eher ungeeignet.The Although mentioned material combinations have advantages in Connection with ordinary heaters, namely Carbon heaters, and in terms of their antistatic properties but are in terms of uniformity the temperature distribution for the production of sophisticated Fiber composites rather unsuitable.
Dem Stand der Technik zugehörig sind weiterhin klassisch beheizte Autoklaven oder beheizte mechanische Pressen, in bzw. unter denen die erforderlichen Drücke und Temperaturen durch Konvektion oder Wärmeleitung zur Erwärmung, Verformung und Polymerisation des Kunststoffes im festen Verbund mit der jeweiligen Fasermatrix aufgebracht werden. Das geschieht in relativ großen Anlagen sowie insbesondere mit einem extrem großen Zeit- und Energieaufwand. Große Werkstücke erfordern eine Erwärmungs- und Polymerisationszeit von mehreren Stunden im ungünstige Fall. Zur Verkürzung der Prozessdauer werden die Umformwerkzeuge, wenn erforderlich, zusätzlich erwärmt. Diese weisen oftmals das Zwanzigfache der Werkstückmasse auf, wodurch erkennbar wird, dass der Energieaufwand für die Werkzeugerwärmung gegenüber dem für die Werkstückerwärmung unverhältnismäßig hoch ist.the State of the art are still classically heated Autoclaves or heated mechanical presses, in or below those the required pressures and temperatures by convection or heat conduction for heating, deformation and Polymerization of the plastic in a solid composite with the respective Fiber matrix are applied. That happens in relatively large Equipment, and in particular with an extremely large and energy expenditure. Large workpieces require a heating and polymerization time of several hours in the worst case. To shorten the process duration the forming tools, if necessary, additional heated. These often have twenty times the workpiece mass, which shows that the energy required for the Tool heating compared to the workpiece heating disproportionately high.
Bekannt sind weiterhin Einrichtungen und Technologien zur Erwärmung und Polymerisation von Kunststoff auf der Basis der Energieübertragung durch kurzwellige oder durch selektiv transformierte Infrarotstrahlung, bei letzterer durch Verwendung von Funktionalkeramiken sowohl zur Beschichtung der Strahler als auch zur Dotierung des Kunststoffs bzw. allgemein des Werkstücks.Known are still facilities and technologies for warming and polymerisation of plastics based on energy transfer by short-wave or by selectively transformed infrared radiation, in the latter by using functional ceramics both for Coating of the radiator as well as for doping of the plastic or in general of the workpiece.
Keramikzusammensetzungen
sind beispielsweise in der
Die
Verwendung von selektiv transformierter Infrarotstrahlung ist in
Verbindung mit entsprechenden apparativen Mitteln nach
Neuere Entwicklungen betreffen Einrichtungen zum thermischen Bearbeiten von biologischen und technischen Gütern bzw. Objekten unter Verwendung von keramischen Infrarotstrahlern mit selektiven Emission- bzw. Absorptionsspektren.Recent developments relate to devices for the thermal processing of biological and technical goods or objects using ceramic infrared radiators with selective emis sion or absorption spectra.
Die vorgenannten Einrichtungen, insbesondere auch solche zur thermische Bearbeitung von Kunststoffen ohne oder mit Fasereinlagen aus Karbon, Glas, Textil und anderen geeigneten Materialien, unterliegt einem ständigen Weiterentwicklungsprozess. Die vorliegende Erfindung soll dazu einen Beitrag leisten, mit dem Ziel, die Nutzungsmöglichkeiten von Faserverbundkunststoffen verfahren- bzw. vorrichtungsseitig zu verbessern.The aforementioned devices, especially those for thermal Processing of plastics without or with carbon fiber inserts, Glass, textile and other suitable materials, is subject to a constant development process. The present invention should contribute to this, with the aim of the possible uses of fiber composite plastics procedural or device side to improve.
Aufgabenstellungtask
Aufgabenseitig wird eine technische Lösung zur thermischen Bearbeitung von faserfreien Kunststoffen wie auch Faserverbundkunststoffen mit Fasern aus Karbon, Glas, Textil und dgl. und darüber hinaus von anderen Gütern und Objekten angestrebt. Dabei soll insbesondere Infrarotstrahlung zu Anwendung kommen. Weiterhin sind Aspekte hinsichtlich unterschiedlicher Drücken, verschiedener keramischer Dotierungen mit selektiven Emissions- bzw. Absorptionsspektren und diverser elektrisch leitender Fasern zu berücksichtigen.task side becomes a technical solution for thermal processing of fiber-free plastics as well as fiber composite plastics Fibers made of carbon, glass, textile and the like and beyond aspired to by other goods and objects. It should in particular infrared radiation are used. Furthermore are Aspects of different pressures, different ceramic dopants with selective emission or absorption spectra and various electrically conductive fibers.
Neben werkstofflichen und apparativen Merkmalen, die die Einhaltung bestimmter Verfahrensschritte bedingen, sind möglichst auch praktikable Verwendungsvorschläge zu unterbreiten.Next material and apparatus characteristics that ensure compliance Process steps require, are possible as practicable Suggestions for use.
Lösung der AufgabenstellungSolution of the task
Die erfinderische Aufgabe ist, wie im Patentanspruch 1 angegeben, gelöst worden. Die untergeordneten Ansprüche enthalten zweckmäßige Ausgestaltungen.The inventive task is as stated in claim 1, solved Service. The subordinate claims include expedient Configurations.
Eine bestimmte werkstoffliche Ausstattung der Flächenelemente der gattungsgemäßen Art ist Bedingung für ihren Einsatz als thermische Bearbeitungseinrichtung, auf die später näher eingegangen wird.A certain material equipment of the surface elements the generic type is a condition for their use as thermal processing equipment, to which later will be discussed in more detail.
Als primäre flächige Heizelemente werden verwendet:
- – Karbonvlies – als elektrischer Widerstand,
- – Karbongewebe – als elektrischer Widerstand,
- – Metallisiertes Gewebe – als elektrischen Widerstand,
- – Metall als Gewebe, Gelege oder Wicklung – als elektrischer Widerstand – auf einem Substrat oder einer Wicklung um ein flächiges Substrat,
- – Dünnflächiger Radiator mit warmen Wasser, Öl oder Dampf.
- - carbon fiber fleece - as electrical resistance,
- - Carbon fiber - as electrical resistance,
- - Metallized tissue - as electrical resistance,
- Metal as a fabric, scrim or winding - as an electrical resistance - on a substrate or a winding around a planar substrate,
- - Thin radiator with warm water, oil or steam.
Die wichtigsten Bestandteile der flächigen Heizelemente sind verschiedene Substrate, mit oder ohne Beschichtung und mit einer speziellen Funktionskeramik.The are the main components of the flat heating elements different substrates, with or without coating and with a special functional ceramics.
Bei Karbonfaserverbundkunststoffen sind in der Regel exakt definierte Gewirke aus Karbonfasern in Duroplastwerkstoffen eingebettet, und zwar ein- oder mehrschichtig, mit dem Ziel, hohe Festigkeiten bei der späteren Nutzung zu garantieren. Mit Blick auf eine direkte Beheizung der Karbonfaserverbundkunststoffe wird vorgeschlagen, definiert strukturierte ein- oder mehrlagige Karbongewirke zu verwenden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung ist somit eine Widerstandsheizung während der thermischen Bearbeitung und/oder bei der späteren Nutzung realisierbar. Im Unterschied zur derzeit üblichen Karbonheizungen auf Basis undefinierter Karbonvliese kann die Erwärmung von innen heraus durch Optimierung von Festigkeits- und Stromverteilung deutlich besser unterstützt werden ohne dabei auf die beabsichtigten Festigkeitseigenschaften verzichten zu müssen.at Carbon fiber composites are usually well-defined Knitted fabric of carbon fibers embedded in thermoset materials, and Although one or more layers, with the aim of high strength at to guarantee later use. Facing a Direct heating of carbon fiber composite plastics is proposed defined to use structured single or multi-ply carbon knit. By applying an electrical voltage is thus a resistance heater during thermal processing and / or at the later Use feasible. In contrast to the currently usual Carbon heaters based on undefined carbon nonwovens may cause warming from within by optimizing strength and power distribution be supported much better without the intended To dispense with strength properties.
Das erfindungsgemäße Flachenelement enthält weiterhin Dotierungen mit Funktionalkeramiken, die in der Lage sind, selektiv transformierte Infrarotstrahlung zu emittieren.The Contains surface element according to the invention furthermore doping with functional ceramics, which are able to to selectively emit transformed infrared radiation.
Einsetzbar sind natürliche kristalline mineralogische Keramiken aller Art (z. B. Malachit) sowie industriell gefertigte amorphe Oxydkeramiken (z. B. Al2O3) in den Größen 50 nm bis 5 mm.Natural crystalline mineralogical ceramics of all kinds (eg malachite) as well as industrially produced amorphous oxide ceramics (eg Al 2 O 3 ) in the sizes 50 nm to 5 mm can be used.
Die Funktionalkeramiken sind zweckmäßigerweise wie folgt zusammengesetzt:
- – Cr2O3 in einer Konzentration von 5 ... 60% in Mullit (Al2O3/SiO2) und/oder
- – ZrO2 in einer Konzentration von 1 ... 50% in Mullit (Al2O3/SiO2) und/oder
- – Ho2O3 in einer Konzentration von 0,1 ... 20% in Mullit (Al2O3/SiO2) und/oder
- – Fe2O3 in einer Konzentration von 5 ... 40% in Mullit (Al2O3/SiO2) und/oder
- – LaCrO3 in einer Konzentration von 5 ... 70% in Mullit (Al2O3/SiO2) und/oder
- – CeO2 in einer Konzentration von 0,1 ... 20% in Mullit (Al2O3/SiO2) und/oder
- – Y2O3 in einer Konzentration von 0,1 ... 20% in Mullit (Al2O3/SiO2) und/oder
- – YCrO3 in einer Konzentration von 0,1 ... 20% in Mullit (Al2O3/SiO2) und/oder
- – Gd2O3 in einer Konzentration von 0,1 ... 20% in Mullit (Al2O3/SiO2).
- - Cr 2 O 3 in a concentration of 5 ... 60% in mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ) and / or
- - ZrO 2 in a concentration of 1 ... 50% in mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ) and / or
- - Ho 2 O 3 in a concentration of 0.1 ... 20% in mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ) and / or
- Fe 2 O 3 in a concentration of 5 to 40% in mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ) and / or
- - LaCrO 3 in a concentration of 5 ... 70% in mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ) and / or
- - CeO 2 in a concentration of 0.1 ... 20% in mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ) and / or
- - Y 2 O 3 in a concentration of 0.1 ... 20% in mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ) and / or
- - YCrO 3 in a concentration of 0.1 ... 20% in mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ) and / or
- - Gd 2 O 3 in a concentration of 0.1 ... 20% in mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ).
Die Zusammensetzung ist somit auf das konkrete Absorptionsvermögen des selektiv transformierten Infrarots der im Flächenelement enthaltenen Dotierung abstimmbar.The Composition is thus on the specific absorption capacity of the selectively transformed infrared of the surface element tunable doping.
Die Funktionalkeramik ist in einer Konzentration von 0,01 bis 20%, bevorzugt 0,5 bis 5% in den Kunststoff eingebracht. Die Korngröße beträgt 20 bis 50.000 nm, bevorzugt liegt sie im Bereich zwischen 500 bis 1.500 nm.The Functional ceramic is preferred in a concentration of 0.01 to 20% 0.5 to 5% introduced into the plastic. The grain size is 20 to 50,000 nm, preferably in the range between 500 to 1,500 nm.
Die Dotierung ermöglicht eine effiziente Erwärmung durch verbesserte Wärmeleitung und Wärmestrahlung im Werkstoffinneren des Flächenelements.The Doping enables efficient heating through improved heat conduction and heat radiation in the material interior of the surface element.
Die beschriebene Erwärmung des Flächenelements von innen her durch elektrische Widerstandsheizung und/oder durch dessen Dotierung mittels Nano- bzw. Mikrofunktionalkeramiken in verwendungsseitiger Verbindung mit selektiv transformierter Infrarotstrahlung ist funktionswesentlich, insbesondere im Hinblick auf die Beschleunigung von Erwärmungs-, Polymerisations- und gegebenenfalls späteren Abkühlprozessen bei deutlich verbesserter energetischer Effizienz. Die Erwärmungs- und Polymerisationszeit kann auf 50 bis 30% gesenkt und der Energieaufwand auf 40 bis 10% reduziert werden.The described heating of the surface element of inside by electrical resistance heating and / or by the Doping by means of nano- or microfunctional ceramics in use-side connection with selectively transformed infrared radiation is essential to the function, particularly with regard to the acceleration of warming, Polymerization and possibly later cooling processes with significantly improved energy efficiency. The warming and polymerization time can be reduced to 50 to 30% and the energy consumption be reduced to 40 to 10%.
Bei ausschließlichem Einsatz von Widerstandsheizungen ist eine Werkstückdotierung sinnvoll.at exclusive use of resistance heaters is one Workpiece doping makes sense.
Bei Verwendung von Karbonflächenelementen sind die Karbonfasern in Form von definierten Gewirken in duroplastischen Kunststoffen eingebettet. Zweckmäßigerweise sind die Kunststoffe mit funktioneller Keramik im Sinne von selektiv transformierten Infrarot dotiert.at Use of carbon surface elements are the carbon fibers in the form of defined knitted fabrics in thermosetting plastics embedded. Conveniently, the plastics with functional ceramics in the sense of selectively transformed Infrared doped.
Als Trägermaterial dienen die nachfolgend aufgeführten Substrate. Diese sind mit dem eigentlichen elektrisch leitenden Heizelement aus Carbonvlies oder dgl. verbunden, beispielsweise verklebt. Auf der Gegenseite ist ein elektrisch isolierendes Material aufgebracht. Je nach Anwendung bleiben die Substrate auf der Außenseite unbeschichtet oder sie werden mit einer speziellen Funktionskeramik beschichtet, um gezielte Strahlungseigenschaften zu erhalten.When Carrier material serve the following Substrates. These are with the actual electrically conductive Heating element of carbon fabric or the like. Connected, for example bonded. On the opposite side is an electrically insulating material applied. Depending on the application, the substrates remain on the outside uncoated or they will be equipped with a special functional ceramic coated to obtain targeted radiation properties.
Substrate können je nach Anwendung sein:
- – Keramik (Fliesen, Kacheln, Hochleistungskeramik),
- – Glaskeramik (wie z. B. CERAN, ROBAX),
- – Quarzglas,
- – Metall (Stahl, Aluminium, Kupfer, ...),
- – Holzerzeugnisse (MDF, Massivholz, Möbelteile, Türen ...),
- – Papiererzeugnisse (Tapeten, Bilder),
- – Textilerzeugnisse,
- – Ledererzeugnisse,
- – Kunststoffe (Basis EP, CFK, GFK, ....).
- - ceramics (tiles, tiles, high-performance ceramics),
- Glass-ceramic (such as CERAN, ROBAX),
- - quartz glass,
- - metal (steel, aluminum, copper, ...),
- - wood products (MDF, solid wood, furniture parts, doors ...),
- - paper products (wallpapers, pictures),
- - textile products,
- - leather products,
- - Plastics (based on EP, CFK, GFK, ....).
Mehrere Flächenelemente können je nach Verwendung zu einem großflächigen Gebilde oder zu einem räumlichen Gebilde beliebig zusammengefügt werden.Several Surface elements can become one depending on the use large-scale structures or to a spatial Buildings are put together arbitrarily.
In einer Ausgestaltung für die einseitige Nutzung sind die Flächenelemente auf der dem zu beheizenden Werkstück oder Objekt zugewandten Seite mit funktioneller Keramik im Sinne von selektiv transformierten Infrarot beschichtet. Die gegenüber liegende Seite ist mit einem reflektierenden Material versehen.In an embodiment for one - sided use are the Surface elements on the workpiece to be heated or object facing side with functional ceramic in the sense coated by selectively transformed infrared. The opposite lying side is provided with a reflective material.
Bei beidseitiger Nutzung sind beide Seiten mit funktioneller Keramik im Sinne von selektiv transformierten Infrarot beschichtet.at Both-sided use are both sides with functional ceramics coated in the sense of selectively transformed infrared.
Die Flächenelemente können je nach Praxisanforderung ebenflächig, zylindrisch bzw. prismatisch, stabförmig gestreckt oder zwei- oder dreidimensional gebogen ausgebildet sein.The Surface elements can vary depending on the practice planar, cylindrical or prismatic, rod-shaped stretched or bent two- or three-dimensionally formed.
Grundsätzlich sollen die beschriebenen Flächenelemente entweder als strahlender Körper aus der Distanz auf ein Objekt wirken oder mit dem Objekt in unmittelbaren Kontakt stehen. Im ersten Fall kann die Übertragung von Wärme sowohl in eine als auch in zwei bzw. mehrere Richtungen ausschließlich durch Strahlung erfolgen.Basically, the surface elements described should either act as a radiating body from a distance on an object or be in direct contact with the object. In the first case, the Transfer of heat in one as well as in two or more directions exclusively by radiation.
Im zweiten Fall tritt Wärmeleitung durch den direkten Kontakt hinzu. Bei Strahlung aus Distanz kann der Abstand zwischen Strahler und Objekt im Bereich von wenigen Millimeter bis zu mehreren Meter liegen.in the second case, heat conduction occurs through direct contact added. With radiation from distance, the distance between radiator and object in the range of a few millimeters to several meters lie.
Für die erfindungsgemäßen Flächenelemente werden folgende Anwendungsgebiete gesehen:
- – Erwärmung und Polymerisation bzw. Kühlung von Kunststoff- Sandwichs,
- – Trocknen und Polymerisieren von Beschichtungen auf Substraten,
- – Erwärmen und Polymerisieren von Laminierungen auf Substraten,
- – Trocknen von Gütern,
- – Trocknen und Erwärmen im Allgemeinen, Sterilisieren, Backen, Garen und dgl.,
- – Enteisen von Oberflächen,
- – Raumheizung.
- - heating and polymerization or cooling of plastic sandwiches,
- Drying and polymerizing coatings on substrates,
- Heating and polymerizing laminations on substrates,
- - drying of goods,
- Drying and heating in general, sterilizing, baking, cooking and the like
- - deicing of surfaces,
- - Space heating.
Die Vorteile liegen hier insbesondere im Ausnutzen
- – von relativ niedrigen Temperaturen, vorzugsweise im Bereich zwischen –50 und 0°C zur Kühlung, zwischen 1 und 10°C zur Enteisung von Flächen, Körpern und Systemen durch Kontakt und Strahlung und zwischen 10 und 1.000°C zum Heilen, Heizen, Trocknen, Erwärmen Polymerisieren Sterilisieren Backen Garen und dgl.,
- – kleinen Abständen der Strahler zum jeweiligen Objekt, die wenigen Millimeter betragen können,
- – von relativ großen Strahlerflächen mit hoher Gleichmäßigkeit,
- – der formgerechten Anpassbarkeit des Strahlers in zwei- oder dreidimensionalen Formaten an verschieden ausgebildete Oberflächen der Bearbeitungsobjekte oder Güter.
- From relatively low temperatures, preferably in the range between -50 and 0 ° C for cooling, between 1 and 10 ° C for deicing surfaces, bodies and systems by contact and radiation and between 10 and 1000 ° C for curing, heating, drying , Heating Polymerizing Sterilizing Baking Garen and the like,
- - small distances of the radiators to the respective object, which can be a few millimeters,
- From relatively large radiator surfaces with high uniformity,
- - The conformable adaptability of the radiator in two- or three-dimensional formats on differently shaped surfaces of the processing objects or goods.
Ausführungsbeispieleembodiments
In den nachfolgend aufgeführten Ausführungsbeispielen werden die apparativen Merkmale der Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Darüber hinaus werden Angaben zu zweckmäßigen Praxisanwendungen gemacht.In the embodiments listed below the apparatus features of the invention with reference to drawings explained in more detail. Beyond that Information on appropriate practical applications made.
Die in den Zeichnungen enthaltenen Bezugszeichen sind in der zugehörigen angefügten Bezugszeichenliste erklärt.The In the drawings, reference numerals are in the associated attached reference numerals list explained.
Zunächst
ist in
Die
Darstellungen in den
Die notwendigen Arbeitsschritte sind in Teilsystemen durchführbar. Die Teilsysteme sind alternativ oder in Kombination realisierbar.The necessary steps are feasible in subsystems. The subsystems can be implemented alternatively or in combination.
Im
Wesentlichen handelt es sich um ein Vakuumsystem, ein kombiniertes
System aus selektiven transformierten Infrarot und Luftkühlung
und ein mehrschichtiges Systembestehend aus Flächenheizelementen
Bei
der Erwärmung und Umformung von Kunststoffen mit oder ohne
eingelagerten Fasern aus Karbon, Glas, Textil und dgl. sowie mit
oder ohne weitere Schichten aus Kunststoff, Glas, Metall und ähnlichen
Materialien ist zu verhindern, dass Luft eingeschlossen wird. Andererseits
ist zu sichern, das ein ausreichend hoher Druck die Umformung bewirkt.
Die unvernetzten Rohteile (Prepregs, Matten, Sandwichs usw. aus
verschiedenen Schichtungen und Werkstoffen in Verbindung mit dem
umzuformenden und zu polymerisierenden Kunststoff) sind zu dem Zweck
in ein Umformwerkzeug innerhalb oder außerhalb eines Autoklaven
im zwei- oder dreidimensionalen Format eingelegt. Darüber
befindet sich eine Vakuumhaube V1 im analogen zwei- oder dreidimensionalen
Format unter Zwischenlage einer Vakuumtrennfolie
Die gleichzeitige und gleichförmige Druckreduzierung sichert außerdem, dass sich die zur ersten unteren Vakuumhaube V1 gehörende infrarotdurchlässige Vakuumtrennfolie 9 nicht vorzeitig und ungleichmäßig an das Rohteilpaket anlegt und die darunter befindliche Luft am Entweichen hindert.The simultaneous and uniform pressure reduction ensures Also, that's the first lower vacuum hood V1 belonging infrared-transparent vacuum release film 9 not prematurely and unevenly to the blank package applies and prevents the air underneath from escaping.
Nach
dem stabilen Druckaufbau unter beiden Vakuumhauben V1 und V2 wird
die obere Vakuumhaube V2 wieder „geflutet”, d.
h., der Druck wird wieder bis auf etwa ein bar erhöht.
Nachfolgend wird die obere Vakuumhaube V2 entfernt. Beim „Fluten” der
oberen Vakuumhaube V2 schließt sich die Vakuumtrennfolie
In einem zweiten Schritt erfolgt eine weitere Druckerhöhung, im Autoklaven beispielsweise auf acht bis zehn bar, bei der Prozessführung ohne Autoklaven durch Ausnutzung der vorhandenen Druckdifferenz von etwa ein bar.In a second step, there is a further pressure increase, in the autoclave, for example, at eight to ten bar, in the process control without autoclave by utilizing the existing pressure difference from about a bar.
In
beiden Fällen wird selektive transformierte Infrarotstrahlung
von oben zur schnellen und energieeffizienten Erwärmung
und Polymerisation des Kunststoffsandwichs
Im
Gegenteil: Die Vakuumtrennfolie
Die
Erwärmung des Kunststoffssandwichs
Kunststoffsandwichs
Zur
Realisierung eines mehrschichtigen Systems von Flächenheizelementen
In
den schichtweisen Aufbau, bestehend aus im Wechsel zwischen einem
oberen und einem unteren Presswerkzeug
In weiteren Ausführungsbeispielen sind zweckmäßige Anwendungen von Flächenheizelementen beschrieben.In Further embodiments are expedient Applications of surface heating elements described.
1. Leiterplatten1. printed circuit boards
Bei
der Herstellung von Leiterplatten im Stapelverfahren unter Pressen
können mehrere schichtweise angeordnete Sandwichs und dazwischen
angeordnete plattenförmige Karbonheizeinrichtungen mit
selektivem transformiertem Infrarot gleichzeitig erwärmt
und polymerisiert werden (
2. Photovoltaik-Module2. Photovoltaic modules
Photovoltaikzellen
und -module sind durch Erwärmen, Verschmelzen und Polymerisieren
von Kunststoff in einzelnen Sandwichs aus Glas, Silizium und Kunststoff
unter Vakuum und selektivem transformiertem Infrarot herstellbar
(
3. Bauteile aus Karbonfaserverbundkunststoffen (CFK)3. Components made of carbon fiber composite plastics (CFRP)
Derartige
Teile sind durch Erwärmung und Polymerisation von Sandwichs
ausschließlich aus diesem Material unter Vakuum und konvektiven
Druck sowie mit selektiv transformiertem Infrarot herstellen (
4. Karbonheizplatten und Karbonstrahler4. Carbon heating plates and carbon radiators
Diese
Heizplatten bzw. Strahler bestehen gemäß
5. Bauteile und Profile aus Verbundkunststoffen mit Fasern aus Glas, Textil und dgl.5. Components and profiles made of composite plastics with fibers of glass, textile and the like.
Die
thermische Bearbeitung solcher Bauteile und Profile erfolgt analog
der vorbeschriebenen Punkte (
Sandwichkombinationen können beispielhaft sein:
- – Karbon-Glasfaserkunststoff-Funktionalkeramik,
- – Karbon-ROBAX-Funktionalkeramik,
- – Karbon-Papier-Funktionalkeramik.
- - carbon-fiberglass-functional-ceramic,
- Carbon ROBAX functional ceramics,
- - Carbon-paper-functional-ceramic.
6. Kühlsysteme6. Cooling systems
Bei einem flächigen Kühlelement besteht das Flächenheizelement ebenfalls aus einem Substrat (z. B. sehr gut wärmeleitfähiges Kupfer) mit einer Beschichtung aus Funktionalkeramik auf der aktiven Seite. Allerdings dient diese Beschichtung nicht primär der Emission, sondern der Absorption von Infrarot, dass von zu kühlenden Körpern ausgestrahlt wird. Auf der gegenüberliegende Seite des Substrates wird die durch Absorption aufgenommene Wärme zu einem Kühlaggregat abgeführt.at a planar cooling element is the surface heating element also from a substrate (eg very good thermal conductivity Copper) with a coating of functional ceramic on the active Page. However, this coating is not primary the emission, but the absorption of infrared, that of being cooled Bodies is broadcast. On the opposite Side of the substrate becomes the heat absorbed by absorption discharged to a cooling unit.
Kühlkammern sind üblicherweise mit unbeschichteten Oberflächen versehen.cooling chambers are usually with uncoated surfaces Mistake.
Daher arbeiten sie auf Basis der Konvektion und/oder Konduktion. Ein Wärmeübergang durch Strahlung erfolgt i. d. R. nicht. Durch Beschichtung der kalten oder kühlenden Innenräume von Kühlsystemen mit Funktionskeramik wird der Strahlungswärmestrom besser absorbiert und die Wärme in den Kühlkreislauf eingebracht.Therefore, they work on the basis of convection and / or conduction. A heat transfer by radiation is usually not. By coating the cold or cooling interiors of cooling systems with Functional ceramics, the radiant heat flow is better absorbed and introduced the heat in the cooling circuit.
Beispiel: Abkühlen von Brot nach dem Backen: Brot mit 135°C Oberflächentemperatur fungiert als „Emitter” während die gekühlte Innenfläche des Kühltunnels (z. B. plus 20°C bis minus 20°C) als „Absorber” wirkt. Zusätzlich kann der Kühlprozess noch mit Konvektion unterstützt werden.Example: Cooling bread after baking: bread at 135 ° C Surface temperature acts as an "emitter" during the cooled inner surface of the cooling tunnel (eg plus 20 ° C to minus 20 ° C) acts as an "absorber". In addition, the cooling process can still convection get supported.
7. Trocknen und Polymerisieren von Lackschichten und anderen Beschichtungen auf Formteilen7. Drying and Polymerization of Varnish Layers and other coatings on moldings
Zum
effizienten Trocknen, Erwärmen und/oder Polymerisieren
von Schichten aus Lack, Farbe, Dispersionen, Pulver und dgl. auf
zwei- oder dreidimensionalen Oberflächen aus Kunststoff,
Metall, Holz, Textil, Keramik und anderen Materialien werden Karbonheizeinrichtungen
als Strahler mit selektivem transformierten Infrarot im deckungsgleichem
zwei- oder dreidimensionalen Format und im Aufbau gemäß
- – Die Strahler können in der Regel mit den gleichen Werkzeugen wie die Formteile selbst rationell gefertigt werden.
- – Die Strahler können in der Regel auf minimale Abstände, zum Teil bis auf wenige Millimeter, parallel zu zum jeweiligen Abschnitt der Oberfläche an das jeweilige zu beschichtende Formteil herangeführt und somit optimal mit geringstem Energieaufwand thermisch bearbeitet werden.
- – Weitere Vorteile sind unter Textziffer
7 angegeben.
- - The spotlights can usually be made efficiently with the same tools as the moldings themselves.
- - The emitters can be brought to minimum distances, sometimes up to a few millimeters, parallel to the respective section of the surface of the respective molded part to be coated and thus optimally processed thermally with the lowest energy consumption.
- - Further advantages are under text number
7 specified.
8. Trocknen von körnigen Gütern8. Drying of granular goods
Körnige Güter wie Getreide, Nudeln, Holzschnitzel, Petfood, Obst und Gemüse in dieser Form und weitere werden möglicht in einer Schicht unter den Karbonstrahlern großflächig zum Zwecke einer rationellen Trocknung ausgebreitet. Die Karbonstrahler werden dabei extrem dicht mit möglichst geringem Abstand an das Gut herangebracht.grained Goods such as cereals, pasta, wood chips, pet food, fruit and vegetables in this form and more are possible in a layer under the carbon radiators large area spread for the purpose of a rational drying. The carbon radiators become extremely dense with the smallest possible distance brought to the estate.
Das ermöglicht die nachfolgend beschriebenen Vorteile gegenüber dem Trocknen unter normalen Luftdruck und bei Temperaturen über Null Grad Celsius:
- – Sehr rationelle Übertragung der Strahlungsleistung auf das Gut;
- – Starke Reduzierung der Bauhöhe beispielsweise eines Mehretagentrockners, da je Etage nur 50 bis 100 mm an Bauhöhe erforderlich sind.
- – Auf Grund der allgemein bekannten hohen Stabilität von Karbonfaserverbundkunststoffen und damit auch von darauf basierenden Karbonstrahlern können große strahlende Flächen bei geringer Strahlerdicke und mit geringen Abständen zueinander ohne stützende oder tragende Elemente ausgebildet werden.
- – Der trocknende und die Feuchte abführende anfangs kalte Luftstrom kann ausreichend schwach und weitestgehend laminar durch den schlanken Raum, der durch den Abstand zwischen Strahler und Gut gebildet ist, geleitet werden.
- - Very efficient transfer of the radiation power to the estate;
- - Strong reduction in the height, for example, a multi-floor dryer, since each floor only 50 to 100 mm in height are required.
- - Due to the well-known high stability of carbon fiber composites and thus also based on carbon radiators large radiating surfaces can be formed with low radiator thickness and with short distances to each other without supporting or supporting elements.
- - The drying and moisture-removing initially cold air flow can be sufficiently weak and largely laminar through the slender space, which is formed by the distance between radiator and Good, are passed.
Die geringe laminare Luftströmung führt nur zu einer sehr geringen Abkühlung der Strahler und ist nur mit einem sehr niedrigen energetischen und anlagentechnischen Aufwand verbunden.The low laminar air flow only leads to one very little cooling of the radiator and is only with one very low energy and plant complexity associated.
9. Trocknen von Brettern bzw. ähnlichen tafelförmigen Objekten9. Drying boards or similar tabular objects
Trocknen
von Brettern und ähnlich geformter Objekte im Sinne von
Die
unter Textziffer
10. Trocknen von Gütern in kleinen Stückgrößen im Wirbelstrom10. Drying of goods in small Piece sizes in eddy current
Biologische
oder technische Güter, beispielsweise Granulat, Körner,
Zucker, Salz oder Instand-Material, können im Wirbelstrom
mit kalter Luft unter selektivem transformiertem Infrarot besonders
effizient getrocknet werden. Eine Vorrichtung dazu ist in
11. Abtrocknen von blättrigem Gemüse, beispielsweise Salat oder Spinat11. Drying of leafy Vegetables, for example salad or spinach
Die
Abtrocknung erfolgt ähnlich wie in
- – in der Nähe der Strahler, die beispielsweise eine Temperatur bei zeitweisem Direktkontakt zwischen 40 und 60°C oder hinter einem Schutzgitter zwischen 100 und 200°C haben, erfolgt eine effiziente Abtrocknung.- near the spotlights, for example, a temperature at temporary direct contact between 40 and 60 ° C or behind a protective grid between 100 and 200 ° C, there is an efficient drying.
- – Durch die ständige gegenseitige Berührung der Blätter erfolgt die erforderliche Verwischung der restlichen Feuchte auf der Oberfläche und damit die Voraussetzung für eine noch effizientere Trocknung- Through the constant mutual contact the leaves, the required blurring of the remaining moisture on the surface and thus the requirement for an even more efficient drying
- – Durch den kalten Luftstrom wird das Blattmaterial ständig wieder heruntergekühlt. Der Trocknungsprozess sowohl stationär als auch kontinuierlichen durchführbar.- Due to the cold air flow, the sheet material constantly cooled down again. The drying process both stationary and continuous feasible.
12. Trocknen von Gütern unter Vakuum und ggf. im gefrorenem Zustand12. Drying of goods under Vacuum and if necessary in the frozen state
Die große Festigkeit und Stabilität der Karbonstrahler gegenüber Feuchte und Druck bei schlanker Bauweise sowie durch die Strahlung im niedrigen Temperaturbereich von beispielsweise 20 bis 200°C ermöglicht deren Einsatz in Vakuum-Gefriertrocknern. Bisher erfolgt hier die Trocknung ausschließlich auf der Basis sehr niedriger Drücke von beispielsweise 0,1 bis 1 mbar und durch Übertragung von Kontaktwärme von unten. Durch eine zusätzliche Übertragung von Strahlungswärme in Form von selektiv transformierten Infrarot von oben und ggf. auch alternativ von unten kann der Trocknungsprozess wesentlich beschleunigt werden. Die Energieeffizienz und die Produktqualität verbessern sich deutlich. Der Trocknungsprozess ist auch hier stationär oder im kontinuierlichen Durchfluss durchgeführt werden.The great strength and stability of the carbon radiator against humidity and pressure in a slim design as well by the radiation in the low temperature range of for example 20 to 200 ° C allows their use in vacuum freeze dryers. So far, the drying takes place exclusively on the Basis of very low pressures of, for example, 0.1 to 1 mbar and by transfer of contact heat from underneath. Through an additional transmission radiant heat in the form of selectively transformed Infrared from above and possibly also from below can be the drying process be significantly accelerated. Energy efficiency and product quality improve significantly. The drying process is also stationary or be carried out in a continuous flow.
13. Enteisen von Flugzeugen13. De-icing of aircraft
Insbesondere
Tragflächen und Leitwerke aus Karbonfaserverbundkunstoffen
mit dem strukturellen Aufbau gemäß
14. Enteisen von Landebahnen auf Flugplätzen14. De-icing of runways at airfields
Durch großflächiges Einbringen von Karbonheizplatten in oder unter die Betonfläche einer Landebahn können Vereisungen verhindert bzw. eingetretene Vereisungen wieder aufhoben werden.By large-scale introduction of carbon heating plates into or under the concrete surface of a runway Icing prevented or canceled the occurrence of icing become.
15. Enteisen von kritischen Verkehrsflächen15. De-icing of critical traffic areas
Durch Einbringen von Carbonheizplatten in oder unter den Straßenbelag insbesondere an kritischen Kreuzungen, steilen Garagenausfahrten, in kritischen Kurven usw. können Vereisungen verhindert bzw. eingetretene Vereisungen wieder aufhoben werden. Anwendungsmöglichkeiten werden auch bei Haltestellen, Bahnsteigen und anderen Wartebereichen gesehen.By Inserting carbon heating panels in or under the road surface especially at critical intersections, steep garage exits, in critical curves, etc. icing can be prevented or occurred icing be canceled again. applications are also used at stops, platforms and other waiting areas seen.
16. Enteisen von Schienen und Weichen16. De-icing rails and switches
Durch flächiges Anbringen von Karbonheizplatten an Schienensträngen, insbesondere im Weichenbereich, können Vereisungen verhindert bzw. eingetretene Vereisungen wieder aufhoben werden.By laminar application of carbon heating panels to rail tracks, Especially in the switch area, icing can be prevented or occurred icing be canceled again.
Bisher werden elektrische Heizelemente mit relativ geringer Kontaktfläche (beispielsweise 10 × 1.000 mm) und relativ hohen Arbeitstemperaturen (beispielsweise 500°C) verwendet. Die vorgeschlagenen Karbonheizplatten sind großflächiger (beispielsweise 100 × 1.000 mm) und weisen relativ niedrigere Arbeitstemperaturen auf (beispielsweise 4 bis 160°C). Sie sind darüber hinaus noch zweckentsprechend nach außen hin isoliert. Damit werden die Energieeffizienz und die Wirksamkeit deutlich verbessert.So far become electric heating elements with relatively small contact surface (For example, 10 × 1000 mm) and relatively high operating temperatures (For example, 500 ° C) used. The proposed carbon heating plates are more extensive (for example, 100 × 1,000 mm) and have relatively lower operating temperatures (for example 4 to 160 ° C). They are also appropriate isolated to the outside. This will be the energy efficiency and the effectiveness significantly improved.
17. Heizen von Sitzflächen17. Heating seat surfaces
Sitzflächen aus Karbonfaserverbundkunststoffen im Außenbereich, beispielsweise auf Bänken, Stühlen, Sesselliften und dgl. können in der kalten Jahreszeit bei zeitlich begrenzten konkreten Bedarf beheizt werden. Damit kann ein nützlicher Beitrag zur Energieeffizienz und zur Gesundheitsförderung geleistet werden.seats made of carbon fiber composite plastics in the outdoor area, for example on benches, chairs, chairlifts and the like in the cold season with temporary concrete needs be heated. This can be a useful contribution to energy efficiency and health promotion.
18. Raumheizung18th room heating
Derzeit erfolgt das Heizen von Räumen überwiegend mit konvektiver Wärme. Der Energieverbrauch liegt je nach Thermoisolierung, gewünschter Raumtemperatur und anderen Einflussfaktoren, beispielsweise im Bereich von 100 bis 200 kWh je m2 × Jahr. Durch den effizienten Einsatz von Karbonstrahlern kann der Energiebedarf auf etwa 25% reduziert und das gesundheitliche Wohlbefinden von Menschen, Tieren und Pflanzen deutlich verbessert werden.Currently, the heating of rooms takes place mainly with convective heat. The energy consumption depends on the thermal insulation, the desired room temperature and other influencing factors, for example in the range of 100 to 200 kWh per m 2 × year. The efficient use of carbon emitters reduces the energy requirement to about 25% and significantly improves the well-being of humans, animals and plants.
Zur effizienten Nutzung gehören weitere Optimierungen entsprechend des konkreten Bedarfs im Hinblick auf
- – Funktionellen Keramiken,
- – Dimensionierung der erforderlichen Flächen und Temperaturen,
- – Positionierung der Flächen im Raum,
- – Zeitliche Aktivierung bzw. Deaktivierung,
- – Design und Integration in vorhandenen Funktionsflächen wie Türen, Wände, Fußböden, Decken, Möbeln, Bildern und anderen Flächenhaften Gebilden.
- - functional ceramics,
- - dimensioning of required surfaces and temperatures,
- - positioning of the surfaces in the room,
- - time activation or deactivation,
- - Design and integration in existing functional surfaces such as doors, walls, floors, ceilings, furniture, pictures and other area-like structures.
Die Strahlertemperaturen liegen zwischen 4 und 2.500°C.The Radiator temperatures are between 4 and 2,500 ° C.
Von der Dimension der möglichen Energieeffizienzerhöhung zählt diese Verwendung zu den attraktivsten.From the dimension of the possible increase in energy efficiency this use is among the most attractive.
19. Schutz vor Frost und Unterkühlung19. Protection against frost and hypothermia
Pflanzen in Gewächshäusern, Wintergärten u. ä.plants in greenhouses, conservatories u. ä.
20. Unterstützung biologischer Prozesse20. Support biological processes
Prophylaxe, Begleitende Physiotherapie, Verbesserung des Wohlbefindens, Verbesserung der Leistungsbereitschaft, Verbesserung des Wachstums bei Tieren und Pflanzen, Fermentierung, Pasteurisierung und Sterilisierung.Prophylaxis, Accompanying physiotherapy, improvement of well-being, improvement motivation, improvement of growth in animals and plants, fermentation, pasteurization and sterilization.
21. Backen21. Baking
Neben der Nutzung der Flächenheizelemente für den Backraum können sie auch Backformen und Backblechen benutzt werden. Eine außen beschichtete Backform nimmt etwa doppelt soviel Strahlungswärme als eine unbeschichtete Backform in sich auf und gibt diese an das Backgut weiter.Next the use of surface heating elements for the oven They can also be used in baking dishes and baking trays. An outside coated baking pan takes about twice as much Radiant heat as an uncoated baking pan in itself and pass these on to the dough.
- 11
- Elektrische Widerstandsheizung,electrical Resistance heating,
- 22
- Duroplastischer Kunststoff, eine keramische Dotierung enthaltend,thermoset Plastic, containing a ceramic doping,
- 33
- Kunststoffsandwich (Kunststoffteil, das mit Fasern aus Karbon, Glas, Textil, Papier und ähnlichem versetzt ist, Photovoltaikmodul, Leiterplatte, Heizplatte und dgl.),Plastic sandwich (Plastic part made with carbon fibers, glass, textile, paper and the like, photovoltaic module, printed circuit board, Hot plate and the like),
- 44
- Flächenheizelement,surface heating,
- 55
- Werkzeug,Tool,
- 5.15.1
- Oberes Presswerkzeug,upper Pressing tool,
- 5.25.2
- Unteres Presswerkzeug,lower Pressing tool,
- 66
- Kühlluft,Cooling air
- 77
- Infrarotstrahlung,Infrared radiation,
- 7.17.1
- Strahler mit Lüfter,spotlight with fan,
- 88th
- Kunststoffsandwich,Plastic Sandwich,
- 99
- Vakuumtrennfolie,Vacuum release film
- 1010
- Reflektierenden Schicht,reflective Layer,
- 1111
- Emittierende bzw. absorbierende Schicht aus Funktionalkeramik,emitting or absorbent layer of functional ceramic,
- 1212
- Brett,Board,
- 1313
- Strahler,spotlight,
- 1414
- Trocknerwand,Dryer wall,
- 1515
- Trockengut,dry material,
- 1616
- Düsenboden,Nozzle plate,
- 1717
- Grundplatte,Base plate,
- V1V1
- Untere Vakuumhaube,Lower Vacuum hood,
- V2V2
- Obere Vakuumhaube.Upper Vacuum hood.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- - DE 10163087 [0010] - DE 10163087 [0010]
- - DE 10250798 [0010] DE 10250798 [0010]
Claims (7)
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