CN110446606A - 具有共烧结多层结构的加热器 - Google Patents

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Abstract

一种制造具有共烧结多层结构的加热器(1)的方法，所述加热器用于一用于提供可吸入气溶胶的系统，所述方法具有以下步骤：提供(1010)至少一个第一衬底层(3)；将至少一个第一绝缘层(5)至少局部地布置(1020)在所述第一衬底层(3)上；将至少一个加热元件(7)至少局部地布置(1030)在所述第一绝缘层(5)上；将至少一个第二衬底层(3’)和至少一个第二绝缘层(5’)至少局部地布置(1040)在所述加热元件(7)上，其中所述第二绝缘层(5’)至少局部地布置在所述第二衬底层(3’)上，且其中所述第二绝缘层(5’)至少局部地与所述加热元件(7)和/或所述第一绝缘层(5)连接；挤压(1050)所述层和所述加热元件(7)；并且焙烧(1060)所述经挤压的层，以便将所述多层结构的层共烧结。

Description

具有共烧结多层结构的加热器
发明内容
本发明涉及一种制造具有共烧结多层结构的加热器的方法，所述加热器用于一用于提供可吸入气溶胶的系统。此外，本发明还涉及一种加热器的应用、一种用于提供可吸入气溶胶的系统以及一种加热器。
由现有技术已知用于提供可吸入气溶胶的系统，其所具有的加热器为用于形成气溶胶的物质加热。根据所使用的系统，该物质可以呈液态、气态或固态。一般而言，这类系统不像传统卷烟那样燃烧包括烟草或类烟草产品的物质，而只是加热，但不燃烧该物质，以便获得可吸入气溶胶。
例如，WO 2013/034456 A1描述一种系统的结构，在该系统中，位于系统的储存容器中的烟草或类烟草产品在加热器的表面上或表面附近被加热，直至产生含有尼古丁和/或香料的气溶胶。所形成的气溶胶可通过吸口被使用者吸入。
另一种被举例说明的用于提供可吸入气溶胶的系统记载于WO 2016/207407 A1中。该系统包括壳体，壳体具有用于送入用于形成气溶胶的物质的开口。壳体中设有加热器，送入的物质被加热器加热，但不完全燃烧。在这个示例中，所形成的气溶胶也可通过吸口被使用者吸入。
用于提供可吸入气溶胶的系统所用的一种加热器的经典结构例如记载于WO2011/050964 A1中。在电绝缘衬底(例如电绝缘陶瓷)上施覆金属膏，随后在所施覆的金属膏中形成图案，从而产生电阻导电通路(Widerstandsleiterbahn)形式的电阻元件。
而后以两阶段法将带有所施覆的金属膏的衬底烧结。在之后的附加步骤中，可以在电阻导电通路上烧结一个钝化层。
由现有技术也还已知其他的制造更复杂的加热器的多阶段制造方法。例如，WO2013/017185 A1描述一种具有隔热衬底的加热压印模，隔热衬底上设有包括加热电阻的导电结构。导电结构被电绝缘层覆盖。举例而言，该加热压印模的制造方法如下：首先在导电衬底上烧结绝缘层。随后烧结电阻元件，在进一步的烘烤步骤中再在电阻元件上烧结绝缘层。
因此，现有技术中的已知方法的缺点是这些方法具有大量的处理和烘烤步骤。如此一来，用于提供可吸入气溶胶的系统所用的加热器的制造变得非常复杂，且因此而变得费时又昂贵。
有鉴于此，本发明的目的是提供一种经改进的制造加热器的方法，这种方法克服了现有技术的不足。特别是提供一种能以低成本快速制造加热器的方法。
根据本发明，这个目的通过一种根据权利要求1的主题所述的方法而达成。
为此，本发明提供一种制造具有共烧结多层结构的加热器的方法，所述加热器用于一用于提供可吸入气溶胶的系统，所述方法具有：
提供至少一个第一衬底层；
将至少一个第一绝缘层至少局部地布置在所述第一衬底层上；
将至少一个加热元件至少局部地布置在所述第一绝缘层上；
将至少一个第二衬底层和至少一个第二绝缘层至少局部地布置在所述加热元件上，其中所述第二绝缘层至少局部地布置在所述第二衬底层上，且其中所述第二绝缘层至少局部地与所述加热元件和/或所述第一绝缘层连接；
挤压所述层和所述加热元件；并且
焙烧所述经挤压的层，以便将所述多层结构的层共烧结。
所述加热器可在200℃至400℃的温度范围内工作以加热或蒸发某一物质。然而，所述加热器也可以至少暂时地在更高的温度范围内(例如550℃左右)工作以净化该加热器。
术语“多层结构”在此可用来指称一个包括加热器的不同层的结构。
术语“共烧结”和“共烧结多层结构”可以指例如在加压或无压力条件下同时加热和烘烤多层结构的数个层，以便能够在单独一道工序中焙烧或烧结多层结构的层。焙烧前可将各单层预干燥。
在一个示例中，可以一个接一个地实施本发明方法的步骤。在另一示例中，可按任意顺序实施这些步骤且/或删除或增加单个的方法步骤。
本发明基于以下出人意料的认识：通过多层结构的共烧结，烘烤步骤的数量减少至单独一个烘烤步骤，这样能显著降低加热器的制造成本。
在本发明的一个示例中，所述第一衬底层和/或所述第二衬底层包括至少一个生坯片(Grünfolie)，特别是具有稳定氧化锆ZrO2的生坯片。
术语“生坯片”可以理解成包括固体组分且该固体组分可具有有机物质和无机物质的衬底层和/或薄膜。固体中的有机组分例如可包括氧化铝、钇稳定氧化锆或钪稳定氧化锆，或者也可包括其他的陶瓷材料、金属材料或玻璃质材料，有机组分还可以包括相应量的残余物。有机组分可进一步包括粘结剂、软化剂和分散剂。可以将邻苯二甲酸盐、多元醇、乙二醇、磷酸盐以及其他的低挥发烃等等用作软化剂。陶瓷生坯片的制造方法例如记载于DE19924134 A1中。
术语“稳定氧化锆”可用来指称作为第一衬底层和/或第二衬底层的钇稳定二氧化锆，例如如WO 2010/089024 A1中所记载的。可以通过添加钽或铌来抑制第一衬底层和/或第二衬底层的氧气导电性作为钇的替代物，也可以使用其他的二价或三价金属如钪来进行稳定。以总金属含量为参照，通过20-40mol％、特别是25-35mol％的稳定剂含量，可以有利地达到较高断裂强度，因为这样能保持二氧化锆的高温四方相。此外，通过掺杂HfO2，可将机械强度提升至超过250MPa。
在另一示例中，所述生坯片具有处于0.25mm至0.5mm范围的厚度。
在一个示例中，所述第一绝缘层和/或所述第二绝缘层具有氧化铝Al2O3，特别是包含氧化铝Al2O3的陶瓷浆料。
举例而言，可以使用例如如DE4016861 A1中所记载的包含氧化铝的陶瓷浆料。在此，借助其他的有机和无机添加剂将细粒氧化铝粉末处理成铸塑料，以便形成生坯片。这样一个绝缘层即使在超过1000℃的高温下也还有利地具有绝缘作用。此外，这样一个绝缘层由于突出的机械特性而特别适合于共烧结。具体而言，通过使用这样一种陶瓷浆料，可以获得基本无裂纹的结构。
在另一示例中，所述的布置所述第一绝缘层和/或所述第二绝缘层包括：
将所述第一绝缘层丝网印刷且/或流延成型在所述第一衬底层上，并且/或者，将所述第二绝缘层丝网印刷且/或流延成型在所述第二衬底层上。
通过丝网印刷和/或流延成型可以特别快而有效地布置第一绝缘层和/或第二绝缘层。
在一个示例中，所述加热元件包括至少一个电阻元件，特别是包含铂Pt金属陶瓷的电阻元件。
举例而言，加热元件可被构建成导电通路形式的电阻元件。当导电通路中有电流通过时，会由于导电通路的固有电阻而发热。根据导电通路中所通过的电流，可以确定加热器的明确的加热功率。
Pt金属陶瓷的组成优选如下：
重量百分比为45％的粒度为50μm的Pt粉末，
重量百分比为45％的粒度为2μm的Al2O3粉末，以及
重量百分比为10％的粘结剂，例如Zschimmer&Schwarz GmbH&Co.KG公司的METAWAX P-50，或类似的粘结剂。
相对含量分别与PT金属陶瓷的总重量有关。
为了制造Pt金属陶瓷，可在滚轮支座上将Pt粉末、Al2O3粉末和粘结剂与Al2O3球体混合。而后可将形成的混合物装入双Z捏合机(Doppel-Z-Kneter)并且在添加去矿物质水、VE水(VE Wasser)的情况下进一步与分散剂混合，以便移除气泡。
在又一示例中，所述的布置所述加热元件包括：将所述电阻元件丝网印刷在所述第一绝缘层上。
举例而言，可以在至少80％的空气湿度下借助丝网印刷法将上述混合物施覆在绝缘层上。
在一个示例中，所述的布置所述第二衬底层和所述第二绝缘层包括：
将所述第二绝缘层至少局部地布置在所述加热元件上，并且将所述第二衬底层至少局部地布置在所述第二绝缘层上；或者
将所述第二绝缘层至少局部地布置在所述第二衬底层上，并且将所述第二绝缘层至少局部地布置在所述加热元件上。
举例而言，可以先将第二绝缘层布置在加热元件和/或第一绝缘层上，使得第二绝缘层至少局部地与加热元件和/或第一绝缘层连接，随后可将第二衬底层布置在第二绝缘层的相对侧上。在另一示例中，也可以先将第二绝缘层布置在第二衬底层上，而后将第二衬底层连同布置在第二衬底层上的第二绝缘层一起布置在加热元件或第一绝缘层上，使得第二绝缘层至少局部地与加热元件和/或第一绝缘层连接。
在另一示例中，所述的焙烧所述经挤压的层包括：在至少1400℃下将所述多层结构的经挤压的层焙烧至少36小时。
举例而言，可以按照US 20040094417 A1或DE 19545590 C2中所记载的方法焙烧经挤压的层。
在另一示例中，所述方法包括：
在所述焙烧之前特别是通过冲压或激光切割法分离所述加热器，或者
在所述的挤压所述层之后且在所述焙烧之前分离所述加热器。
通过在焙烧前分离加热器，可有利地防止陶瓷中形成微裂纹。
在一个示例中，在所述第二绝缘层和/或所述第二衬底层中形成空隙，特别是形成空隙以至少局部地裸露所述加热元件的至少一个连接构件。
这些空隙用于接触加热元件。举例而言，可以设计冲孔形式的空隙，这些冲孔分别可供至少一个用于接触加热元件上的连接触点的连接导体穿过。然而，空隙也可以被理解成相关绝缘层和/或衬底层的缩短，这使得连接触点可从加热器的外侧被触及。
在另一示例中，所述方法包括：
在所述的挤压所述层之前，将至少一个温度传感器布置在：
(i)所述第一绝缘层与所述第一衬底层之间，和/或
(ii)所述第二绝缘层与所述第二衬底层之间，和/或
(iii)所述第一绝缘层与所述第二绝缘层之间。
将温度传感器整体布置在层之间，其优点是能够可靠测定加热器的温度，并且对加热器中所通过的电流进行相应的控制或调节。
本发明也提出一种用本发明的方法制成的加热器在用于提供可吸入气溶胶的系统中的应用。
此外，本发明提出一种用于提供可吸入气溶胶的系统，具有至少一个用本发明的方法制成的加热器。
此外，本发明提出一种具有共烧结多层结构的加热器，所述加热器用于一用于提供可吸入气溶胶的系统并且具有：
至少一个加热元件，具有第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧；
至少一个第一绝缘层和至少一个第二绝缘层，其中所述第一绝缘层至少局部地布置在所述加热元件的第一侧，且其中所述第二绝缘层至少局部地布置在所述加热元件的第二侧；以及
至少一个第一衬底层和至少一个第二衬底层，其中所述第一衬底层至少局部地布置在所述第一绝缘层上，且其中所述第二衬底层至少局部地布置在所述第二绝缘层上。
下面参考示意性附图对本发明的优选实施方式进行说明，从中可获得本发明进一步的特征与优点。
其中：
图1为根据本发明的实施方式的加热器的示意性分解图；以及
图2为根据本发明的实施方式的加热器的制造方法。
图1示出根据本发明的实施方式的加热器1的示意性分解图。
在第一衬底层3上设有第一绝缘层5，在图示实施方式中，第一衬底层可以是生坯片，特别是具有稳定ZrO2的生坯片。在图示实施方式中，第一绝缘层5可包括具有Al2O3的陶瓷浆料，并且可通过丝网印刷和/或流延成型而布置在第一衬底层3上。在将第一绝缘层5布置于第一衬底层3上后，可以在进一步处理之前将该结构干燥。
在图示实施方式中，在第一衬底层3与第一绝缘层5之间设有温度传感器9。温度传感器9用于测定加热器1的温度。温度传感器9只是可选地图示于图1中，因为这样一个传感器对于本发明而言并非至关重要的。也可以在该多层结构的其他层之间设置温度传感器9或数个温度传感器(图未示)。在图中未示出的实施方式中，温度传感器也可以布置在第一绝缘层5与第二绝缘层5'之间且/或布置在第二绝缘层5'与第二衬底层3'之间。
在图示实施方式中，在第一绝缘层5上设有加热元件7。在图1中，加热元件7实现为导电通路形式的电阻元件。在图示实施方式中，电阻元件可包括Pt金属陶瓷，并且可借助丝网印刷法而布置在第一绝缘层5上。在图1中，电阻元件呈现为具有两个连接触点的回形导电通路。在图中未示出的实施方式中，导电通路也可以采用其他设计。举例而言，导电通路也可以被设计成螺旋形。在图中未示出的实施方式中，通过适当的电子控制，也可以由加热元件自己来承担温度传感器的功能。
在图示实施方式中，在加热元件7上设有第二绝缘层5'，第二绝缘层又布置在第二衬底层3'上。第一和第二绝缘层5、5'的材料以及第一和第二衬底层3、3'的材料可以基本相同。也可以以类似于第一绝缘层5和第一衬底层3的方式依次布置第二绝缘层5'和第二衬底层3'。作为替代方案，也可以先将第二绝缘层5'布置在第二衬底层3'上，而后将第二衬底层3'连同布置在第二衬底层上的第二绝缘层5'一起布置在加热元件7上。
在图示实施方式中，在第二绝缘层5'和第二衬底层3'中形成有空隙，其形式为第二绝缘层5'相对于第一绝缘层5的缩短以及第二衬底层3'相对于第一衬底层3的缩短，以便至少局部地裸露加热元件1的连接触点。在图中未示出的实施方式中，也可以设计冲孔形式的空隙，这些冲孔分别可供至少一个用于接触加热元件7的连接导体穿过。
图1所示的多层结构的层基本呈平面状或者说是平直的。但在图中未示出的实施方式中，这些层也可以具有凹曲度或凸曲度，或者说呈柱形弯曲，以便包围待加热物质。在这个图中未示出的实施方式中，可将待加热物质例如布置在或插入柱体中。
图2示出根据本发明的实施方式的加热器的制造方法。
图中示出制造具有共烧结多层结构的加热器的方法，所述加热器用于一用于提供可吸入气溶胶的系统，所述方法具有以下步骤：
提供1010至少一个第一衬底层；
将至少一个第一绝缘层至少局部地布置1020在第一衬底层上；
将至少一个加热元件至少局部地布置1030在第一绝缘层上；
将至少一个第二衬底层和至少一个第二绝缘层至少局部地布置1040在加热元件上，其中第二绝缘层至少局部地布置在第二衬底层上，且其中第二绝缘层至少局部地与加热元件和/或第一绝缘层连接；
挤压1050上述的层和加热元件；并且
焙烧1060经挤压的层，以便将多层结构的层共烧结。
上述说明、权利要求书和附图中所包含的特征，无论是单独地还是任意组合地，都可以在本发明的各种实施方式中成为本发明的创新点。
附图标记说明
1 加热器
3、3' 衬底层
5、5' 绝缘层
7 加热元件
9 温度传感器
1010 提供第一衬底层
1020 布置第一绝缘层
1030 布置加热元件
1040 布置第二衬底层和第二绝缘层
1050 挤压
1060 焙烧

Claims (15)

1.一种制造具有共烧结多层结构的加热器(1)的方法，所述加热器用于一用于提供可吸入气溶胶的系统，所述方法具有以下步骤：
提供(1010)至少一个第一衬底层(3)；
将至少一个第一绝缘层(5)至少局部地布置(1020)在所述第一衬底层(3)上；
将至少一个加热元件(7)至少局部地布置(1030)在所述第一绝缘层(5)上；
将至少一个第二衬底层(3')和至少一个第二绝缘层(5')至少局部地布置(1040)在所述加热元件(7)上，其中所述第二绝缘层(5')至少局部地布置在所述第二衬底层(3')上，且其中所述第二绝缘层(5')至少局部地与所述加热元件(7)和/或所述第一绝缘层(5)连接；
挤压(1050)所述层和所述加热元件(7)；并且
焙烧(1060)所述经挤压的层，以便将所述多层结构的层共烧结。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一衬底层(3)和/或所述第二衬底层(3')包括至少一个生坯片，特别是具有稳定氧化锆ZrO2的生坯片。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生坯片具有处于0.25mm至0.5mm范围的厚度。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一绝缘层(5)和/或所述第二绝缘层(5')具有氧化铝Al2O3，特别是包含氧化铝Al2O3的陶瓷浆料。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述的布置所述第一绝缘层(5)和/或所述第二绝缘层(5')包括：
将所述第一绝缘层(5)丝网印刷且/或流延成型在所述第一衬底层(3)上，并且/或者，将所述第二绝缘层(5')丝网印刷且/或流延成型在所述第二衬底层(3')上。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述加热元件(7)包括至少一个电阻元件，特别是包含铂Pt金属陶瓷的电阻元件。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的布置(1030)所述加热元件(7)包括：
将所述电阻元件丝网印刷在所述第一绝缘层(5)上。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述的布置所述第二衬底层(3')和所述第二绝缘层(5')包括：
将所述第二绝缘层(5')至少局部地布置在所述加热元件(7)上，并且将所述第二衬底层(3')至少局部地布置在所述第二绝缘层(5')上；或者
将所述第二绝缘层(5')至少局部地布置在所述第二衬底层(3')上，并且将所述第二绝缘层(5')至少局部地布置在所述加热元件(7)上。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述的焙烧(1060)所述经挤压的层包括：
在至少1400℃下将所述多层结构的经挤压的层焙烧至少36小时。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括：
在所述焙烧(1060)之前特别是通过冲压或激光切割法分离所述加热器(1)，或者在所述的挤压(1050)所述层之后且在所述焙烧(1060)之前分离所述加热器(1)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括：
在所述第二绝缘层(5')和/或所述第二衬底层(3')中形成空隙，特别是形成空隙以至少局部地裸露所述加热元件(7)的至少一个连接构件。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，包括：
在所述的挤压所述层之前，将至少一个温度传感器(9)布置在：
(i)所述第一绝缘层(5)与所述第一衬底层(3)之间，和/或
(ii)所述第二绝缘层(5')与所述第二衬底层(3')之间，和/或
(iii)所述第一绝缘层(5)与所述第二绝缘层(5')之间。
13.一种用根据权利要求1至12中任一项所述的方法(1000)制成的加热器(1)在用于提供可吸入气溶胶的系统中的应用。
14.一种用于提供可吸入气溶胶的系统，具有至少一个用根据权利要求1至12中任一项所述的方法(1000)制成的加热器(1)。
15.一种具有共烧结多层结构的加热器(1)，所述加热器用于一用于提供可吸入气溶胶的系统并且具有：
至少一个加热元件(7)，具有第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧；
至少一个第一绝缘层和至少一个第二绝缘层(5、5')，其中所述第一绝缘层(5)至少局部地布置在所述加热元件(7)的第一侧，且其中所述第二绝缘层(5')至少局部地布置在所述加热元件(7)的第二侧；以及
至少一个第一衬底层(3)和至少一个第二衬底层(3')，其中所述第一衬底层(3)至少局部地布置在所述第一绝缘层(5)上，且其中所述第二衬底层(3')至少局部地布置在所述第二绝缘层(5')上。
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