DE102013013401A1

DE102013013401A1 - Nutzung von Siliciumcarbid (Dielektrikum)als ggf. Verbrauchsmaterial zur Erwärmung dünner Materialschichten mittels Mikrowellenstrahlung

Info

Publication number: DE102013013401A1
Application number: DE102013013401.3A
Authority: DE
Inventors: Harald Heinz Peter Benoit
Original assignee: Harald Benoit
Current assignee: BENOIT, HARALD HEINZ PETER, DE
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Das in den Materialschichten enthaltene Siliciumcarbid absorbiert, dreidimnesional verteilt, in den zu erwärmenden Materialien die Mikrowellenstrahlung zu fast 100%, wandelt diese Strahlungenergie direkt in Wärme um und gibt diese sofort wieder an seine Umgebung ab. Damit wird die ganze Mikrowellenenergie direkt in der Materialschicht absorbiert (dreidimensional) und in Wärme umgesetzt. Dies bedeutet das auch Materialien mit einer niederen Dipolkonstante oder Mikrowellen durchlässiger Material in Fugen/Schichten erhitzt/geschmolzen/verdampft/verascht werden kann. Des weiteren können Mikrowellen transperente oder einer niederen Mikrowellenabsorbsrate versehene zum Beispiel: Hochsiederflüssigkeiten, in einer dünnen Flüssigkeitsschicht, welche mit Siliciumcarbid vermischt ist, effizient verdampf/erhitzt werden. Nutzanwendungen: Holzleimbau, Spannplatten, Klebstoffindustrie, Anlagenbau, Kraftstoffverdampfung, Einspritzsysteme, Recycling.

Description

Es ist bekannt das Siliciumcarbid als stark polarisierendes Dielktrikum, Mikrowellen zu fast 100% absorbiert. Auch ist bekannt das Siliciumcarbid eine extrem gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Des weiteren ist bekannt, daß die Eindringtiefe der Microwellenstrahlung in Siliciumcarbid ca. 0,7 mm beträgt. Diese Eigenschaften werden zum Beispiel: als Reaktorwandung für chemische Verfahren genutzt. Welches einem zweidimesionalen Wärmeübertrag der aus Siliciumkarbid bestehenden Reaktorwandung entspricht. Es ist hingegen nicht bekannt, daß wenn man Siliciumcarbid mit anderen Feststoffen/Flüssigkeiten/Gasen oder Mischungen dieser Stoffgruppen vermischt, also eine dreidimensionale Verteilung des Siliciumcarbid in dieser Mischung vorliegt, eine Steigerung der Temperaturaufnahme bei Einwirkung von Mikrowellen (Wellenlängen 300 MHz bis 300 GHz) in diesen Materialien erfolgt. Kurz formuliert: Das in den Materialschichten enthaltene Siliciumcarbid absorbiert die Mikrowellenstrahlung zu fast 100%, wandelt diese Strahlungenergie direkt in Wärme um und gibt diese sofort wieder an seine Umgebung ab. Damit wird die ganze Mikrowellenenergie direkt in der Materialschicht absorbiert (dreidimensional) und in Wärme umgesetzt. Dies bedeutet das auch Materialien mit einer niederen Dipolkonstante oder Mikrowellen durchlässiger Material in Fugen/Schichten erhitzt/geschmolzen/verdampft/verascht werden kann. Des weiteren können Mikrowellen transperente oder einer niederen ikrowellenabsorbsrate versehene zum Beispiel: Hochsiederflüssigkeiten, in einer dünnen Flüssigkeitsschicht, welche mit Siliciumcarbid vermischt ist, effizient verdampf/erhitzt werden. (Anlagenbau, Kraftstoffverdampfung, Einspritzsysteme).
Angaben über das technische und wirtschaftliche Potential
Beispiel 1 Verleimung von Schichthölzem
Mehrere Lagen von Holzbrettem werden mit Klebstoff, hier wurde ein Holzleim auf Basis eines Melamin-Formaldehyd-Kondensates, Duroplast mit reduziertem Härtersystem benutzt, beschichtet/verleimt und verpresst. Danach wurde das Brettschichtholz für 75 Sekunden einer Mikrowellenstrahlung (2,45 GHz Haushaltsmikrowelle 900 Watt) bestrahlt. Das fertig ausgehärtete Holzbrett (Maße: 5 Lagen OSB-Bretter 20 mm Dick und 100 Lang sowie 100 mm breit oder anders Material: 5 Bretter Bruchenholz mit indentischen Maßen) wurde der Mikrowelle entnommen.
Anmerkung:
Bei Bestrahlungsdauer von > 180 sec. wurden die Leimfugen und Teile des benachbarten Holzes durch die Wärmeübertrag des Siliciumcarbides verbrannt. Durch dieses Verfahren können zum Beispiel ganze Deckenplatten im Holzhausbau in einem Herstellprozess, mit geringem Zeitaufwand gefertig werden.
Beispiel 2 Herstellung von Holz/Press-Spannplatten
Holzspanne oder mehrere Holspanntypen werden mit Holzleim auf Basis von Urea/Formaldehyd/härter, welcher mit Siliciumcarbid (> 0,001% Siliciumcarbid-Anteil im Holzleim) versetzt wurde bedüst, verpresst und für 75 sec in eine Haushaltsmikrowelle (2,54 GHz und 900 Watt-Leistung) bestrahlt. Die fertige Spannplatte wurde danach Anwendungstechnisch geprüft.
Technischer Nutzen
Herstellung von Spannplatten dicker 50 mm möglich, gebogene Spannplatten, Rohre aus Holzspanne sind maschinell machbar. Geringer technischer Anlagenaufwand durch direkten Wärmeeintrag.
Beispiel 3 Herstellung/Verleimen/Verkleben von Materialverbänden
Es wurden in unter Mikrowellenbestrahlung folgende Materialverbände als hergestellt:

• zwischen zwei Lagen Buchenholz wurde eine Lage Glasfaser, welche mit Holzleim/Härter und Siliciumcarbid getränkt ist, eingefügt verpresst und mit Mikrowellen (2,45 GHz, 900 Watt-Leistung) > 45 sec. bestrahlt. Danach wurde der Verbund der Mikrowelle entnommen. Einsatzgebiete > z. B: verstärkte Holzbauten, Brandschutz.
• Mehrlagige Verbünde mit verschieden Material und Verbindungsschichten Eine Lage Holz, eine Lage Glasfser mit Holzleim, danach eine Holz eine Lage Epoxidkleber mit Siliciumcarbid dotiert, danach als Endlage eine Aluminiumschicht. Die Betrahlung erfolgt in der Mikrowelle, Zeitdauer und Mikrowellenfrequenz, sowie Mikrowellenleistung können je nach Verbund variabel sein. Anmerkung: Metalle reflektieren Mikrowellen, daher wurde dieser Verbund von der Holzschichtseite bestrahlt.

Die Materialschichten und deren Verbindungsschichten sind beliebig variabel und werden in einem Bestrahlungsgang (möglich sind auch mehrere) verpresst und danach weiter verarbeitet. Werden diese Verbünde in einer Mikrowellen durchlässigen Form hergestellt sind auch Formteile möglich.
Beispiel 4 Schmelzen/Erwärmen von Materialien welche durch Mikrowellenstrahlung nicht oder nur gering erhitzt werden (z. B: Polypropylen)
Pulver oder geschmolzene Materialien, welche Mikrowellen nur gering absorbieren können durch den Zusatz von Siliciumcarid unter Mikrowellenstrahlung geschmolzen werden. Beispiel: es wurde Polypropylen im elektrischen Ofen aufgeschmolzen und mit > 0,0001% Siliciumcarbid vermischt die Schmelze wurde abgekühlt. Danach ist das nicht oder nur gering durch Mikrowellen erhitzbare Material für Mikrowellenstrahlung erhitz-, schmelzbar. Technische Anwendung in Spritzköpfen mögliches Beispiel im 3 D-Druck, Spritzguß.
Beispiel 5 Dünnschichterhitzung zur Destillation von Flüssigkeiten
Der Verdampferteil einer Destillationskolonne (verschiedene Kolonnentrenntypen möglich), hat einen Erhitzungsboden (befüllbare Wanne) welcher durch einen Mikrowellenleiter der am Ausgang des Leiters eine hitzebeständige, Mikrowellenstrahlung durchlässiges Fenster (zum Beispiel Glas) versehen wurde, bestrahlt wird. In diese Wanne 8Verdampferteil) wird in der zu destillierden Flüssigkeit das Siliciumcarbid, dreidimensional verteilt, entwerden in Form eines im Destillait schwimmdenden Pulver/Granulates/Fasern entwerden dotiert oder gänzlich aus Siliciumcarbid besteht. oder als räumlich verteiltes mit Siliciumcarbid in Form eines Schaumes (dotiert mit Siliciumcarbid oder aus Siliciumcarbid bestehender Schaum) oder eines im Destillat befindlichen Gewebes welches entwerden dotiert oder gänzlich aus Siliciumcarbid besteht. Durch das Bestrahlen wird die zu destillierdende Flüssigkeit verdampft.
Laborbeispiel:
Zwei Proben a 100 g destilliertes Wasser werden in einer Mikrowelle (2,45 GHz, 900 Watt-Leistung) gestellt. Eine der beiden Proben wird mit Siliciumcarbidpulver versetzt und das Siliciumcarbid (> 1%) durch rühren räumlich (3D) im Wasser verteilt. Danach werden beide Proben gleichzeitig, 90 sec. lang, mit der Mikrowelle bestrahlt. Die Probe ohne Zusatz von Silciumcarbid kam nicht zur Destillation und hatte nach der Bestrahlung eine Temperatur von 67,5°C. Die Probe mit Siliciumcarbidzusatz begann nach 60 sec. an der Oberfläche zu sieden. Und hat nach Ende der Betrahlung eine Temperatur von 62°C. Ausserdem wurden > 2 g Wasser verdampft. Die geminderte Temperatur gegenüber der Probe ohne Siliciumcarbidzusatz entspricht der benötigten Verdampfungsenergie des Wassers.
Fazit:

Durch den dreidimensional verteilten Zusatz von Silcium in der Flüssigkeit erfolgte die Verdampfung bereits an der Oberfläche der Probe. (Total-Absorbtion der Mikrowellenenergie durch das Siliciumcarbid und Umwandlung in Hitze in einer dünnen Flüssigkeitsschicht an der Probenoberfläche).

Vorteile der Methode.	geringer Hold up, Destillation von Flüssigkeiten
	ohne/geringer Dipol möglich. Geringeres
	Notfallgewicht der Kolonne. Einfacher Bau von
	Druckkolonnen. Höhere Sicherheit (Mikrowelle
	aus keine Verdampfung mehr) usw

Beispiel 6 Verdampfung von Kraftstoffen für Gaseinspritzungen in Motoren
Das in Beispiel 5 benutzte Prinzip, kann auch zur Verdampfung von Kraftstoffen genutzt werden. Wobei hier die zu verdampfte Flüssigkeit, nicht wie im Beispiel 4 getrennt/destilliert wird, sondern das entstandene Gas einer Gaseinspritzung zugeführt wird. Der Verdampfer besteht aus einem Gefäß (ggf. Druckgefäß) welche mit eine Mikrowellenmagnetron versehen wurde (Hohlleiter mit Mikrowellen durchlässigem Fenster (z. B: Keramikfenster/Glasfenster). Zulauf und ggf Ablauf für die zu verdampfende Flüssigkeit, sowie einem Dampfabgang zur Gaseinspritzung (ggf Kombigerät, Gas-, flüssig Eeinspritzung).
Im Druckgefäß befindet sich das Siliciumcarbid in dreidimesional verteilter Form.
als Pulver/Granulat oder/und
als Gewebe bestehend aus Siliciumcarbid oder dotiert mit Siliciumcarbid
oder/und
als offenporiger Schaum bestehend aus Siliciumcarbid oder dotiert mit Siliciumcarbid
Die Verdampferleistung bzw. die Gaseinspitzstäuerung und oder der Betriebsdruck des Dampfes könnten über die Taktung der Mikrowellenstrahlung erfolgen
Beispiel 7 Aufschmelzen von Klebestellen welche mit Siliciumcarbid dotiert wurden
Es können Schmelz-Klebstoffe mit Siliciumcarbid dotiert werden, danach werden Materialen nach Stand der Technik verklebt. Später können diese Klestellen durch punktgenaues Betrahlen mit Mikrowellen wieder aufgeschmolzen werden ggf. danach auch wieder Schmelzverklebt werden. Anwendungen: Reperatur von verklebten Komponenten oder Recykling von verklebtem Material.
Beispiel 8 Erhitzen von Gasen
Gas oder Gasgemische werden durch eine dreidimensional verteilte Schicht aus feinkörmigem Siliciumcarbid und oder einem mit Siliciumcarbid beschichtem Trägermaterial geblasen und durch bestrahlen von Mikrowellen erhitzt. Die dreidimesionale Verteilung kann als Wirbelschicht oder in Form von Füllkörper erfolgen.
Die Erfindung ist gekennzeichntet durch

1 Das eine dreidimensionale Verteilung des Siliciumcarbid in dem zu erhitzenden Material/Materialien und oder Materialschicht/Materialschichten vorliegt. Der Agregatzustand des zu erwärmenden Material bzw. der Materialschicht kann flüssig, fest, gasförmig sein oder aus einer Mischungen der Agregatzustände bestehen.
2 Das Siliciumcarbid kann in den zu erwärmenden Materialen als Pulver auch in nano Verteilung, Granulat, dotiertem oder aus reinem Siliciumcarbid bestehendem offenporigen Schaum und oder als aus dotiertem oder reinem Siliciumcarbid beschaffenen Gewebe bestehen. Das Trägermaterial des dreidimensional verteilten Siliciumcarbid kann je nach Anwendung variabel sein.
3 das unter zu mischende Siliciumcarbid kann auch Reinheitsgrade unter 90 Gew.-% besitzen
4 das verwendete Siliciumcarbid muß keine vorgegebene Kristallgitterstruktur vorweisen.

Für die Beurteilung in Betracht zu ziehende Druckschriften

Auszug aus einer Technischen Informationsrecherche Patentinformationsstelle PIZ-Kaiserslautern vom 24.01.2013

Prüferklassifikationen

B01J 19/12	.. Anwendung elektromagnetischer Wellen
C04B 35/64	.. Brenn- oder Sinterverfahren
F27D 11/12	. Erhitzen durch unmittelbar auf das zu erhitzende Gut einwirkende
elektromagnetische Felder

1. Direkt zutreffende Dokumente
Es wurden keine direkt zutreffenden Dokumente ermittelt.
2. Berührende Dokumente

DE 102005018323 DE 19859292 DE 69720960 DE 4136416 DE 3936267 US 20060096977 US 5911941 US 5019680 WO 200000311

3. Technischer Hintergrund

DE 102005049533 DE 69510541 DE 19648366 DE 4324606 DE 3737148 DE 3611141 US 4822966 US 4687895 US 4307277

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005018323 [0016]
DE 19859292 [0016]
DE 69720960 [0016]
DE 4136416 [0016]
DE 3936267 [0016]
US 20060096977 [0016]
US 5911941 [0016]
US 5019680 [0016]
WO 200000311 [0016]
DE 102005049533 [0017]
DE 69510541 [0017]
DE 19648366 [0017]
DE 4324606 [0017]
DE 3737148 [0017]
DE 3611141 [0017]
US 4822966 [0017]
US 4687895 [0017]
US 4307277 [0017]

Claims

Die Erfindung ist gekennzeichntet durch 1 Das eine dreidimensionale Verteilung des Siliciumcarbid in dem zu erhitzenden Material/Materialien und oder Materialschicht/Materialschichten vorliegt. Der Agregatzustand des zu erwärmenden Material bzw. der Materialschicht kann flüssig, fest, gasförmig sein oder aus einer Mischungen der Agregatzustände bestehen. 2 Das Siliciumcarbid kann in den zu erwärmenden Materialen als Pulver auch in nano Verteilung, Granulat, dotiertem oder aus reinem Siliciumcarbid bestehendem offenporigen Schaum und oder als aus dotiertem oder reinem Siliciumcarbid beschaffenen Gewebe bestehen. Das Trägermaterial des dreidimensional verteilten Siliciumcarbid kann je nach Anwendung variabel sein. 3 das unter zu mischende Siliciumcarbid kann auch Reinheitsgrade unter 90 Gew.-% besitzen 4 das verwendete Siliciumcarbid muß keine vorgegebene Kristallgitterstruktur vorweisen.