DE102013013401A1 - Use of silicon carbide (dielectric) as optional consumable material for heating thin material layers by means of microwave radiation - Google Patents
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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.The silicon carbide contained in the material layers absorbs three-dimensionally distributed in the materials to be heated, the microwave radiation to almost 100%, converts this radiation energy directly into heat and immediately returns this to its surroundings. Thus, the whole microwave energy is absorbed directly in the material layer (three-dimensional) and converted into heat. This means that even materials with a low dipole constant or microwave permeable material in joints / layers can be heated / melted / evaporated / ashed. Further, microwave transparent or low microwave absorbing rate, for example: high boiler liquids, can be efficiently vaporized / heated in a thin liquid layer mixed with silicon carbide. Applications: wood glue, chipboard, adhesives, plant construction, fuel evaporation, injection systems, 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).It is known that silicon carbide, as a strongly polarizing dielectric, absorbs almost 100% of microwaves. It is also known that silicon carbide has extremely good thermal conductivity. Furthermore, it is known that the penetration depth of the microwave radiation in silicon carbide is about 0.7 mm. These properties are used, for example: as a reactor wall for chemical processes. Which corresponds to a two-dimensional heat transfer of the consisting of silicon carbide reactor wall. However, it is not known that when silicon carbide is mixed with other solids / liquids / gases or mixtures of these substance groups, ie there is a three-dimensional distribution of the silicon carbide in this mixture, an increase in temperature uptake upon exposure to microwaves (wavelengths 300 MHz to 300 GHz) done in these materials. In short: The silicon carbide contained in the material layers absorbs almost 100% of the microwave radiation, converts this radiation energy directly into heat and immediately returns it to its surroundings. Thus, the whole microwave energy is absorbed directly in the material layer (three-dimensional) and converted into heat. This means that even materials with a low dipole constant or microwave permeable material in joints / layers can be heated / melted / evaporated / ashed. Furthermore, microwave transparent or low microwave absorption rate, for example: high boiler liquids, can be efficiently vaporized / heated in a thin liquid layer mixed with silicon carbide. (Plant construction, fuel evaporation, injection systems).
Angaben über das technische und wirtschaftliche PotentialInformation about the technical and economic potential
Beispiel 1 Verleimung von SchichthölzemExample 1 Gluing of 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.Several layers of Holzbrettem be used with adhesive, here a wood glue based on a melamine-formaldehyde condensate, thermoset with reduced hardener system, coated / glued and pressed. Thereafter, the glued laminated timber was irradiated for 75 seconds of microwave radiation (2.45 GHz household microwave 900 watts). The finished hardened wooden board (dimensions: 5 layers of OSB boards 20 mm thick and 100 long and 100 mm wide or different material: 5 boards of unbreakable wood) was taken from the microwave.
Annotation:
At irradiation time of> 180 sec., The glue joints and parts of the adjacent wood were burned by the heat transfer of silicon carbide. By this method, for example, entire ceiling panels in timber house construction in a manufacturing process, be manufactured in a small amount of time.
Beispiel 2 Herstellung von Holz/Press-SpannplattenExample 2 Production of wood / press clamping plates
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.Wood span or several types of wood chips are sprayed with wood glue based on urea / formaldehyde / harder, which has been treated with silicon carbide (> 0.001% silicon carbide content in wood glue), pressed into a household microwave oven (2.54 GHz and 900 watts) for 75 sec. Power) irradiated. The finished chipboard was then tested for application.
Technical benefits
Production of clamping plates thicker 50 mm possible, bent clamping plates, tubes made of wood span are machinable. Low technical investment due to direct heat input.
Beispiel 3 Herstellung/Verleimen/Verkleben von MaterialverbändenExample 3 Production / Bonding / Bonding of Material Associations
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.
- • Between two layers of beech wood, a layer of glass fiber impregnated with wood glue / hardener and silicon carbide was pressed in and irradiated with microwaves (2.45 GHz, 900 watt power)> 45 sec. Thereafter, the composite was removed from the microwave. Applications> z. B: reinforced wooden structures, fire protection.
- • Multilayer composites with different material and bonding layers One layer of wood, one layer of glass fiber with wood glue, then one layer of wood Epoxy adhesive doped with silicon carbide, then an aluminum layer as end position. The irradiation takes place in the microwave, duration and microwave frequency, as well as microwave power can be variable depending on the composite. Note: Metals reflect microwaves, therefore this composite was irradiated from the wood layer side.
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.The material layers and their connecting layers are arbitrarily variable and are pressed in one irradiation cycle (several are possible) and then further processed. If these composites are produced in a microwave-permeable form, molded parts are also possible.
Beispiel 4 Schmelzen/Erwärmen von Materialien welche durch Mikrowellenstrahlung nicht oder nur gering erhitzt werden (z. B: Polypropylen)Example 4 Melting / heating of materials which are not or only slightly heated by microwave radiation (eg: polypropylene)
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.Powders or molten materials that absorb only low levels of microwaves may be melted by the addition of silicon car- den under microwave radiation. Example: it became polypropylene in an electric oven melted and mixed with> 0.0001% silicon carbide the melt was cooled. Thereafter, the not or only slightly heatable by microwave material for microwave radiation is heated, melted. Technical application in spray heads possible example in 3 D pressure, injection molding.
Beispiel 5 Dünnschichterhitzung zur Destillation von FlüssigkeitenExample 5 Thin-film heating for the distillation of liquids
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.The evaporator section of a distillation column (various column separation types possible) has a heating floor (fillable tub) which has been irradiated by a microwave conductor which has a heat-resistant, microwave radiation-permeable window (for example glass) at the exit of the conductor. In this tub 8Verdampfererteil) is in the liquid to be distilled, the silicon carbide, three-dimensionally distributed, entwerden doped in the form of a floating in Destillait powder / granules / fibers or consists entirely of silicon carbide. or as spatially distributed silicon carbide in the form of a foam (doped with silicon carbide or silicon carbide foam) or a distillate-containing fabric which is dope-doped or entirely composed of silicon carbide. By irradiation, the liquid to be distilled is evaporated.
Laborbeispiel:Laboratory Example:
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.Two samples of 100 g of distilled water are placed in a microwave (2.45 GHz, 900 watt power). One of the two samples is mixed with silicon carbide powder and the silicon carbide (> 1%) dispersed by stirring spatially (3D) in the water. Thereafter, both samples are simultaneously, 90 sec. Long, irradiated with the microwave. The sample without addition of silicon carbide did not come to the distillation and had after the irradiation a temperature of 67.5 ° C. The silicon carbide addition sample began to boil at the surface after 60 seconds. And has a temperature of 62 ° C after the end of the irradiation. In addition,> 2 g of water were evaporated. The reduced temperature compared to the sample without silicon carbide addition corresponds to the required evaporation energy of the water.
Fazit:Conclusion:
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).
Beispiel 6 Verdampfung von Kraftstoffen für Gaseinspritzungen in MotorenExample 6 Evaporation of Fuels for Gas Injections in Engines
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 erfolgenThe principle used in Example 5 can also be used to vaporize fuels. Here, the liquid to be evaporated, not separated / distilled as in Example 4, but the resulting gas is fed to a gas injection. The evaporator consists of a vessel (possibly pressure vessel) which has been provided with a microwave magnetron (waveguide with microwave-permeable window (eg: ceramic window / glass window).) Inlet and if necessary drain for the liquid to be evaporated, and a steam outlet for gas injection (if necessary Combi unit, gas, liquid injection).
In the pressure vessel, the silicon carbide is in dreidimesional distributed form.
as powder / granules or / and
as a fabric consisting of silicon carbide or doped with silicon carbide
or and
as an open-pore foam consisting of silicon carbide or doped with silicon carbide
The evaporator power or the Gaseinspitzstäuerung and or the operating pressure of the steam could be done via the timing of the microwave radiation
Beispiel 7 Aufschmelzen von Klebestellen welche mit Siliciumcarbid dotiert wurdenExample 7 Melting of splices doped with silicon carbide
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.Melt adhesives can be doped with silicon carbide, then materials of the prior art are adhered. Later, these spots can be remelted by precise microwave irradiation, possibly after which they are melt-glued again. Applications: repair of bonded components or recykling of bonded material.
Beispiel 8 Erhitzen von GasenExample 8 Heating of gases
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.Gas or gas mixtures are passed through a three-dimensionally distributed layer of fine-grained silicon carbide and / or one with silicon carbide coated carrier material and heated by irradiation of microwaves. The three-dimensional distribution can be carried out as a fluidized bed or in the form of random packings.
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.
- 1 There is a three-dimensional distribution of the silicon carbide in the material / materials to be heated and / or material layer / material layers. The Agregatzustand of the material to be heated or the material layer may be liquid, solid, gaseous or consist of a mixture of Agregatzustände.
- The silicon carbide may also be present in the materials to be heated as a powder in nano distribution, granules, doped or pure silicon carbide open-pore foam, or as a fabric made of doped or pure silicon carbide. The support material of the three-dimensionally distributed silicon carbide can be variable depending on the application.
- 3, the silicon carbide to be mixed under can also have degrees of purity below 90% by weight
- 4 the silicon carbide used does not have to have a given crystal lattice structure.
Für die Beurteilung in Betracht zu ziehende DruckschriftenDocuments to be considered for the assessment
- Auszug aus einer Technischen Informationsrecherche Patentinformationsstelle PIZ-Kaiserslautern vom 24.01.2013Excerpt from a technical information search Patent Information Office PIZ-Kaiserslautern dated 24.01.2013
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