DE102017123000A1

DE102017123000A1 - Sinterkörper mit leitfähiger Beschichtung

Info

Publication number: DE102017123000A1
Application number: DE102017123000.9A
Authority: DE
Inventors: Dang Cuong Phan; Matthias Rindt; Susanne Schmid; Thomas Beerhorst; Julia Gold
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2019-04-04
Anticipated expiration: 2037-10-05
Also published as: JP6576535B2; GB2567319A; GB2567319B; CN109608048A; CN109608048B; DE102017123000B4; US10617154B2; CH714241B1; JP2019062895A; CH714241A2; US20190098935A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen porösen Sinterkörper mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung. Der Sinterkörper weist eine offene Porosität im Bereich von 10 bis 90 % auf. Die elektrisch leitfähige Beschichtung ist mit der Oberfläche der Poren verbunden und ist Bestandteil einer Heizvorrichtung in einem Verdampfer. Die kleidet dabei die Poren aus, welche sich im Inneren des Sinterkörpers befinden, so dass bei einer elektrischen Kontaktierung des Sinterkörpers und Beaufschlagung mit einem Strom dieser Strom zumindest teilweise durch das Innere des Sinterkörpers fließt und das Innere des Sinterkörpers erhitzt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Sinterkörpers mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen einen mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung beschichteten Sinterkörper. Im Speziellen betrifft die Erfindung eine Verdampfereinheit umfassend einen Flüssigkeitsspeicher und eine Heizeinheit zur Speicherung und geregelten Abgabe von verdampfbaren Substanzen. Die Verdampfereinheit kann hierbei insbesondere in elektronischen Zigaretten, in Verabreichungsgeräten von Medikamenten, Raumbefeuchter und/oder beheizbaren Evaporatoren zur Abgabe von Substanzen in die Raumluft wie beispielsweise Duftstoffe oder Insektenrepellents verwendet werden.
Elektronische Zigaretten, im Folgenden auch als E-Zigaretten bezeichnet, finden im zunehmenden Maße als Alternative zu Tabakzigaretten Verwendung. Typischerweise umfassen die elektronischen Zigaretten ein Mundstück und eine Verdampfereinheit sowie eine elektrische Energiequelle, die in Wirkverbindung mit der Verdampfereinheit steht. Die Verdampfereinheit weist einen Flüssigkeitsspeicher auf, der mit einem Heizelement verbunden ist.
Bestimmte Medikamente, insbesondere Medikamenten für die Behandlung von Atemwegen und/oder der Mund- und/oder Nasenschleimhaut, werden vorteilhaft in der verdampften Form verabreicht, z.B. als Aerosol. Erfindungsgemäße Verdampfer können für die Speicherung und Abgabe solcher Medikamente eingesetzt werden, insbesondere in Verabreichungsgeräten für solche Medikamente.
Thermisch beheizbare Evaporatoren werden zunehmend dazu eingesetzt, ein Ambiente mit Duftstoffen zu versehen. Dies können insbesondere Bars, Hotellobbies und/oder Fahrzeuginnenräume sein, beispielsweise die Innenräume von Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen. Auch bei der dabei eingesetzten Verdampfereinheit ist ein Flüssigkeitsspeicher mit einem Heizelement verbunden. Der Flüssigkeitsspeicher enthält eine Flüssigkeit, bei der es sich zumeist um eine Trägerflüssigkeit wie beispielsweise Propylenglykol oder Glycerin handelt, in der Zusatzstoffe wie Duft- und Aromastoffe und/oder Nikotin und/oder Medikamente gelöst und/oder generell enthalten sind. Die Trägerflüssigkeit wird durch Adsorptionsprozesse auf der inneren Oberfläche des Flüssigkeitsspeichers gebunden. Gegebenenfalls ist ein separates Flüssigkeitsreservoir vorgesehen, um dem Flüssigkeitsspeicher Flüssigkeit zuzuführen.
Allgemein gilt, die im Flüssigkeitsspeicher gespeicherte Flüssigkeit wird durch eine Erwärmung des/eines Heizelements verdampft, desorbiert von der benetzten Oberfläche des Flüssigkeitsspeichers und kann vom Benutzer inhaliert werden. Hierbei können Temperaturen von über 200°C erreicht werden.
Der Flüssigkeitsspeicher muss daher eine hohe Aufnahmefähigkeit und eine hohe Adsorptionswirkung aufweisen, gleichzeitig muss die Flüssigkeit jedoch bei hohen Temperaturen schnell abgegeben werden.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Materialien zur Verwendung als Flüssigkeitsspeicher bekannt. So kann der Flüssigkeitsspeicher durch ein poröses oder faseriges, organisches Polymer gebildet werden. Entsprechende Flüssigkeitsspeicher können zwar recht einfach hergestellt werden, jedoch besteht hier die Gefahr, dass beispielsweise durch ein Trockenlaufen des Flüssigkeitsspeichers das polymere Material zu hoch erhitzt wird und sich zersetzt. Dies wirkt sich nicht nur nachteilig auf die Lebensdauer des Flüssigkeitsspeichers bzw. der Verdampfereinheit aus, sondern es besteht zudem die Gefahr, dass Zersetzungsprodukte des zu verdampfenden Fluids oder sogar des Flüssigkeitsspeichers freigesetzt und vom Benutzer eingeatmet werden.
Aus dem Stand der Technik sind elektronische Zigaretten mit porösen Flüssigkeitsspeichern aus organischen Polymeren bekannt. Auf Grund der geringen Temperaturstabilität des polymeren Materials besteht daher die Notwendigkeit, einen Mindestabstand zwischen dem Heizelement und dem Flüssigkeitsspeicher einzuhalten. Dies verhindert eine kompakte Bauweise der Verdampfereinheit und somit der elektronischen Zigarette. Alternativ zur Einhaltung eines Mindestabstandes kann ein Docht Verwendung finden, der die zu verdampfende Flüssigkeit durch Kapillarwirkung an die Heizwendel führt. Dieser Docht ist meist aus Glasfasern gefertigt. Diese weisen zwar eine hohe Temperaturstabilität auf, jedoch können die einzelnen Glasfasern leicht brechen. Ähnliches gilt wenn auch der Flüssigkeitsspeicher selbst aus Glasfasern hergestellt ist. Daher besteht das Risiko, dass der Benutzer lockere oder angelöste Faserbruchstücke einatmet. Alternativ können auch Dochte aus Cellulosefasern, Baumwolle oder Bambusfasern eingesetzt werden. Diese weisen zwar eine geringe Bruchgefahr als Dochte aus Glasfasern aus, jedoch sind sie weniger temperaturstabil.
Daher werden zunehmend Verdampfereinheiten verwendet, deren Flüssigkeitsspeicher aus porösen Gläsern oder Keramiken bestehen. Auf Grund der höheren Temperaturstabilität dieser Flüssigkeitsspeicher kann eine kompaktere Bauweise des Verdampfers und somit auch der elektronischen Zigarette insgesamt realisiert werden.
Die lokale Verdampfung kann in der Praxis durch einen niedrigen Druck, verbunden mit einer hohen Temperatur erzielt werden. Bei einer elektronischen Zigarette wird der niedrige Druck beispielsweise durch den Saugdruck beim Ziehen an der Zigarette während des Konsums realisiert, eine Regelung des Drucks erfolgt somit durch den Konsumenten. Die für die Verdampfung benötigten Temperaturen im Flüssigkeitsspeicher werden durch eine Heizeinheit erzeugt. Hierbei werden in der Regel Temperaturen von mehr als 200°C erreicht, um eine schnelle Verdampfung zu gewährleisten.
Meist erfolgt die Bereitstellung der Heizleistung durch eine elektrische, mittels Batterie oder Akkumulator, betriebene Heizspirale. Die benötigte Heizleistung ist dabei abhängig vom zu verdampfenden Volumen und der Effektivität der Heizung. Um eine Zersetzung der Flüssigkeit durch zu hohe Temperaturen zu vermeiden, soll der Wärmetransport von der Heizspule zur Flüssigkeit durch kontaktfreie Strahlung erfolgen. Hierzu wird die Heizspirale möglichst nahe an die Verdampfungsoberfläche angebracht, bevorzugt, ohne diese jedoch zu berühren. Berührt die Spule dagegen die Oberfläche, wird die Flüssigkeit oft überhitzt und zersetzt.
Eine Überhitzung der Oberfläche kann sich jedoch auch bei einem Wärmetransport durch kontaktlose Strahlung einstellen. Die Überhitzung entsteht meistens lokal an der Oberfläche des Verdampfers gegenüber der Heizspule.
Dies ist der Fall, wenn im Betrieb eine große Dampfmenge benötigt wird und der Flüssigkeitstransport zur Oberfläche des Verdampfers nicht schnell genug erfolgt. Somit kann die Energiezufuhr vom Heizelement nicht zur Verdampfung verbraucht werden, die Oberfläche trocknet aus und kann lokal auf Temperaturen weit oberhalb der Verdampfungstemperatur erhitzt werden und/oder die Temperaturstabilität des Flüssigkeitsspeichers wird überschritten. Daher ist eine genaue Temperatureinstellung und/oder -steuerung unerlässlich. Nachteilig hierbei ist jedoch der daraus resultierende komplexe Aufbau der elektronischen Zigarette, was sich unter anderem in hohen Herstellungskosten äußert. Zudem verringert ggf. die Temperaturregelung die Dampfentwicklung und somit die maximal mögliche Dampfintensität.
Die EP 2 764 783 A1 beschreibt eine elektronische Zigarette mit einem Verdampfer, der einen porösen Flüssigkeitsspeicher aus einem gesinterten Material aufweist. Das Heizelement kann als Heizspirale oder als eine elektrisch leitende Beschichtung ausgebildet sein, wobei die Beschichtung nur auf Teilen der Mantelflächen des Flüssigkeitsspeichers abgeschieden ist. Somit erfolgt auch hier die Verdampfung lokal begrenzt.
In der US 2011/0226236 A1 wird ein Inhalator beschrieben, bei dem der Flüssigkeitsspeicher und das Heizelement stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Flüssigkeitsspeicher und Heizelement bilden dabei ein flaches Verbundmaterial. Der Flüssigkeitsspeicher, beispielsweise aus einem offenporigem Sinterkörper, fungiert als Docht und leitet die zu verdampfende Flüssigkeit zum Heizelement. Das Heizelement ist dabei auf einer der Oberflächen des Flüssigkeitsspeichers, beispielsweise in Form einer Beschichtung, aufgebracht. Auch hier erfolgt somit die Verdampfung lokal begrenzt auf der Oberfläche, so dass die Gefahr einer Überhitzung ebenfalls gegeben ist.
Um diese Problematik zu umgehen, sind aus dem Stand der Technik Verdampfereinheiten bekannt, bei denen die Verdampfung nicht nur an der Oberfläche des Flüssigkeitsspeichers, sondern über dessen gesamtes Volumen erfolgt. Der Dampf entwickelt sich nicht nur lokal an der Oberfläche, sondern im gesamten Volumen des Flüssigkeitsspeichers. Somit ist der Dampfdruck innerhalb des Flüssigkeitsspeichers weitgehend konstant und ein Kapillartransport der Flüssigkeit zur Oberfläche des Flüssigkeitsspeichers ist nicht mehr notwendig. Entsprechend wird die Verdampfungsgeschwindigkeit nicht länger durch den Kapillartransport minimiert. Voraussetzung für einen entsprechenden Verdampfer ist ein elektrisch leitendes und poröses Material. Legt man eine elektrische Spannung an, erwärmt sich das ganze Volumen des Verdampfers und die Verdampfung findet überall im Volumen statt.
Entsprechende Verdampfer werden in der US 2014/0238424 A1 und US 2014/0238423 A1 beschrieben. Hierbei werden Flüssigkeitsspeicher und Heizelement in einem Bauteil kombiniert, beispielsweise in Form eines porösen Körpers aus Metall oder einem Metallnetz. Nachteilig ist hier jedoch, dass bei den beschriebenen porösen Körpern das Verhältnis von Porengröße zu elektrischem Widerstand nicht einfach eingestellt werden kann. Auch kann es nach dem Aufbringen der leitfähigen Beschichtung durch ein darauffolgendes Sintern zu einer Degradation der Beschichtung kommen.
Die im oben genannten Stand der Technik beschriebenen Materialien sind jedoch nicht oder nur bedingt geeignet, um mittels eines Sinterprozesses Verbundstoffe herzustellen, die sowohl eine hohe, einstellbare Porosität als auch gute elektrische Leitfähigkeiten aufweisen. Generell sind Keramiken aufgrund ihrer feinen Porosität und rauen Oberfläche auch schwierig durchgehend zu beschichten.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen mit einer elektrischen Beschichtung beschichteten Sinterkörper bereit zu stellen, der insbesondere zur Verwendung als Verdampfer in elektronischen Zigaretten und/oder Verabreichungsgeräten von Medikamenten und/oder thermisch beheizten Evaporatoren von Duftstoffen geeignet ist und der die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist. Insbesondere wird durch die Erfindung eine gute Beheizbarkeit und einfache Einstellbarkeit von elektrischem Widerstand und Porosität des Flüssigkeitsspeichers angestrebt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines entsprechenden beschichteten Sinterkörpers.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Verdampfer bzw. die erfindungsgemäße Verdampfereinheit umfasst einen Sinterkörper und eine elektrisch leitfähige Beschichtung. Im porösen Verdampfer wird durch adsorptive Wechselwirkungen eine Trägerflüssigkeit gespeichert, die beispielsweise Duft- und Aromastoffe und/oder Medikamente einschließlich von in geeigneten Flüssigkeiten gelösten Wirkstoffen und/oder Nikotin enthalten kann. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung werden durch die elektrisch leitfähige Beschichtung im Verdampfer hohe Temperaturen erzeugt, so dass die Trägerflüssigkeit verdampft wird, von der benetzten Oberfläche des Verdampfers desorbiert und der Dampf vom Benutzer inhaliert werden kann.
Der Sinterkörper kann aus Glas oder Glaskeramik bestehen und weist eine offene Porosität im Bereich von 10 bis 90 % bezogen auf das Volumen des Sinterkörpers auf.
Bevorzugt liegen mindestens 90 %, insbesondere mindestens 95% des gesamten Porenvolumens als offene Poren vor. Die offene Porosität kann dabei mit Messverfahren gemäß der DIN EN ISO 1183 und DIN 66133 bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Sinterkörper eine offene Porosität im Bereich von mindestens 20%, vorzugsweise 20% - 90%, besonders bevorzugt 50 bis 80% und insbesondere im Bereich von 60 bis 80% auf. Durch die erfindungsgemäße Porosität wird eine hohe Adsorptionsfähigkeit des Sinterkörpers gewährleistet. So kann der Sinterkörper gemäß einer Ausführungsform bei einer Temperatur von 20°C und einer Adsorptionszeit von 3 Stunden zumindest 50% seines offenen Porenvolumens an Propylenglykol aufnehmen. Gleichzeitig weist der Sinterkörper eine gute mechanische Stabilität auf. Insbesondere Sinterkörper mit einer relativ geringen Porosität zeigen eine hohe mechanische Stabilität, was für einige Anwendungen besonders vorteilhaft sein kann. Gemäß einer anderen Ausführungsform beträgt die offene Porosität 20 bis 50%.
Der Sinterkörper enthält vorzugsweise nur einen geringen Anteil an geschlossenen Poren. Dadurch weist der Sinterkörper nur ein geringes Totvolumen, d.h. ein Volumen, welches nicht zur Aufnahme der zu verdampfenden Flüssigkeit beiträgt, auf. Bevorzugt weist der Sinterkörper einen Anteil an geschlossenen Poren von weniger als 15 % oder sogar weniger als 10 % des Gesamtvolumens des Sinterkörpers auf. Zur Bestimmung des Anteils der geschlossenen Poren kann die offene Porosität wie oben beschrieben bestimmt werden. Die Gesamtporosität wird aus der Dichte des Körpers errechnet. Als Anteil der geschlossenen Poren ergibt sich dann die Differenz aus Gesamt-Porosität und offener Porosität. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Sinterkörper sogar einen Anteil an geschlossenen Poren von weniger als 5 % des Gesamtvolumens auf. Geschlossene Poren können hierbei durch Poren im Granulat, welches zur Sinterung eingesetzt wird, durch den Sinterprozess oder auch durch die Beschichtung von sehr kleinen offenen Poren mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung entstehen. Ein Verschluss von offenen Poren durch die elektrisch leitfähige Beschichtung kann insbesondere dann erfolgen, wenn die entsprechenden Poren sehr klein und/oder die Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Beschichtung sehr dick ist.
Die elektrisch leitfähige Beschichtung ist bevorzugt kraft- und stoffschlüssig mit der Oberfläche des Sinterkörpers verbunden. Hierbei sind nicht nur die Poren auf den Mantelflächen des porösen Sinterkörpers, sondern auch die Poren im Inneren des Sinterkörpers mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen. Somit sind die offenen Poren über das gesamte Volumen des Sinterkörpers mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen. Dies hat zur Folge, dass bei Beaufschlagung einer Spannung an den erfindungsgemäß beschichteten Sinterkörpers der Strom durch das gesamte Volumen des Sinterkörpers fließt und dieser somit in seinem gesamten Volumen erhitzt wird. Die elektrisch leitfähige Beschichtung ist also auf der Oberfläche des Sinterkörpers abgeschieden und mit der Oberfläche des Sinterkörpers verbunden, wobei die elektrisch leitfähige Beschichtung die Poren auskleidet, welche sich im Inneren des Sinterkörpers befinden, so dass bei einer zumindest teilweisen oder abschnittsweisen elektrischen Kontaktierung des Sinterkörpers und Beaufschlagung mit einem Strom dieser Strom zumindest teilweise durch das Innere des Sinterkörpers fließt und das Innere des Sinterkörper erhitzt.
Somit wird über das gesamte stromdurchflossene Körpervolumen des Sinterkörpers geheizt und entsprechend die zu verdampfende Flüssigkeit im gesamten Volumen des Sinterkörpers verdampft. Der Dampfdruck ist überall im Sinterkörper gleich hoch und der Dampf entwickelt sich nicht nur lokal auf der Oberfläche des Sinterkörpers, welche dessen Mantelflächen bilden, sondern auch im Inneren des Sinterkörpers. Die elektrisch leitfähige Beschichtung ist auf der Oberfläche des Sinterkörpers aufgebracht und bildet zumindest einen Teil von dessen Porenoberfläche.
Anders als bei Verdampfern, die eine lokale Heizeinrichtung, beispielsweise eine Heizspirale oder eine elektrisch leitende Beschichtung nur auf den Mantelflächen des Sinterkörpers, aufweisen ist ein Kapillartransport zur Oberfläche des Sinterkörpers nicht notwendig. Dies verhindert ein Trockenlaufen des Verdampfers bei zu geringer Kapillarwirkung und somit auch eine lokale Überhitzung. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Verdampfereinheit aus. Zudem kann es bei einer lokalen Überhitzung des Verdampfers zu Zersetzungsprozessen der zu verdampfenden Flüssigkeit kommen. Dies kann zum einen problematisch sein, da beispielsweise somit der Wirkstoffgehalt eines zu verdampfenden Medikamentes verringert wird. Zum anderen werden Zersetzungsprodukte vom Benutzer eingeatmet, was gesundheitliche Risiken bergen kann. Beim erfindungsgemäßen Verdampfer dagegen besteht diese Gefahr nicht.
Alternativ kann die Heizung des Sinterkörpers auch durch eine induktive oder kapazitive Ankopplung der elektrisch leitenden Beschichtung erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die gesamte durch die offenen Poren gebildete Oberfläche des Sinterkörpers mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung bedeckt. Demnach beinhaltet der Begriff „gesamte Oberfläche“ beispielsweise bei einem zylindrischen Sinterkörper auch die Oberfläche des Sinterkörpers, die durch die Poren im Inneren des Körpers, gebildet wird. Die gesamte beschichtete Oberfläche ist somit im Allgemeinen größer als die Außenfläche des Körpers.
Der beschichtete Sinterkörper kann je nach Anwendungsgebiet unterschiedliche Geometrien aufweisen. So kann der Sinterkörper beispielsweis voll- oder hohlzylindrisch, plattenförmig, prismatisch, polyedrisch oder ringförmig sein. Die jeweilige Form kann hierbei bereits durch die Form des Grünkörpers vor der Sinterung festgelegt werden, auf Grund der hohen mechanischen Stabilität des Sinterkörpers ist jedoch auch eine mechanische Bearbeitung des Sinterkörpers nach dessen Sinterung möglich.
Die elektrisch leitfähige Beschichtung kann insbesondere ein Metall wie beispielsweise Silber, Gold, Platin oder Chrom sein oder durch ein Metalloxid gebildet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Metalloxid um ein Metalloxid aus der Gruppe bestehend aus Indiumzinnoxid (ITO), mit Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO), Fluorzinnoxid(FTO) oder Antimonzinnoxid (ATO). Metalloxide haben sich hierbei insbesondere auf Grund der guten Anhaftung auf Glas sowie auf Grund des guten Benetzungsverhaltens der zu verdampfenden Flüssigkeit auf dem Metalloxid als besonders vorteilhaft herausgestellt. Zudem weisen die oben genannten Metalloxide, insbesondere ITO, eine hohe chemische und mechanische Stabilität auf und sind unlöslich in Wasser und Alkohol, so dass sie inert gegen das Lösungsmittel der zu verdampfenden Flüssigkeit sind. Zudem sind die oben genannten Metalloxide gegenüber Temperaturen bis 2000°C stabil. Bevorzugt enthält die Beschichtung ITO und/oder ist eine ITO-Beschichtung.
Bei Verwendung als Verdampfer in elektronischen Zigaretten weist der elektrisch leitfähig beschichtete Sinterkörper bevorzugt eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 0,001 bis 10⁶ S/m auf. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Leitfähigkeit im Bereich von 10 bis 600 S/m herausgestellt. Leitfähigkeiten in den oben beschriebenen Bereichen sind hierbei insbesondere bei relativ kleinen Verdampfern wie sie beispielsweise in elektronischen Zigaretten verwendet werden vorteilhaft. Die angegebenen Leitfähigkeiten sind hoch genug um eine für die Verdampfung ausreichende Hitzeentwicklung zu gewährleisten. Gleichzeitig werden zu hohe Heizleistungen, die zu einer Überhitzung und somit zu einer Zersetzung der Flüssigkeitsbestandteile führen können, vermieden.
Der erfindungsgemäße Sinterkörper kann sowohl als Verdampfer in elektronischen Zigaretten als auch als Verdampfer in medizinischen Inhalatoren verwendet werden. Die beiden Anwendungen stellen hierbei unterschiedliche Anforderungen an den Verdampfer. Dies gilt insbesondere in Hinblick auf die benötigte Heizleistung des Verdampfers. Über die Schichtdicke der elektrisch leitenden Beschichtung sowie der somit erreichten elektrischen Leitfähigkeit des beschichteten Sinterkörpers kann der elektrische Widerstand und somit die Heizleistung des Verdampfers eingestellt werden. Dies ist vorteilhaft, da die optimale Heizleistung von den Abmessungen des Sinterkörpers sowie der jeweils verwendeten Spannungsquelle abhängig ist. So weisen beispielsweise Verdampfer, die in elektronischen Zigaretten verwendet werden, eine geringe Größe von einigen cm auf und werden meist mit einer oder mehreren Spannungsquellen mit einer Spannung von 1 V - 12 V, bevorzugt mit einer Spannung von 1 bis 5 V betrieben. Diese Spannungsquellen können Standardbatterien oder Standard-Akkumulatoren sein. Gemäß einer Ausführungsform wird der Verdampfer mit einer Betriebsspannung im Bereich von 3 bis 5 Volt betrieben. Als besonders vorteilhaft haben sich hierbei elektrische Widerstände im Bereich von 0,2 bis 5 Ohm und eine Heizleistung bis 80 W herausgestellt. Im Unterschied dazu werden können beispielsweise Inhalatoren für den medizinischen Bereich auch bei Spannungen von 110V, 220V/230 V oder sogar 380 V betrieben werden. Hier sind elektrische Widerstände bis 3000 Ohm und Leistungen bis 1000 W vorteilhaft. Je nach Ausführungsform einer Verdampfereinheit, bzw. dessen Verwendung können auch andere Betriebspannungen, beispielsweise größer 12V bis kleiner 110V, Widerstände, z.B. größer 5 Ohm und Leistungsbereiche, z.B. größer als 80W geeignet sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt die Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Beschichtung im Bereich von 1 nm bis 800 µm. Als besonders vorteilhaft haben sich Schichtdicken im Bereich von 200 nm bis 200 µm oder 200 nm bis 10 µm herausgestellt. Bei zu großen Schichtdicken kann die Gefahr eines Porenverschlusses durch die elektrisch leitfähige Beschichtung gegeben sein. Die Schichtdicke ist dabei auch abhängig vom verwendeten Material. So weisen Schichten, die auf Metalloxiden basieren, meist eine deutlich größere Schichtdicke auf als Schichten aus einem Metall.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht eine elektrisch leitende Beschichtung aus einem abgeschiedenen Metall, beispielsweise Silber, Gold, Platin oder Chrom mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 1 µm, bevorzugt im Bereich von 10 nm bis 100 nm vor.
Die elektrisch leitfähige Beschichtung kann innerhalb des Sinterkörpers eine homogene Schichtdicke aufweisen. Jedoch sind auch Sinterkörper, deren elektrisch leitfähige Beschichtung innerhalb des Sinterkörpers inhomogene Schichtdicken aufweisen, Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Dies gilt insbesondere für Beschichtungen auf Basis von Metalloxiden mit einer relativ großen Schichtdicke. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Beschichtung innerhalb des Sinterkörpers einen Gradienten auf. So kann die Schichtdicke beispielsweise von außen nach innen abnehmen.
Neben der oben beschriebenen Schichtdicke kann der gewünschte elektrische Widerstand durch die elektrische Leitfähigkeit des beschichteten Sinterkörpers eingestellt werden. Die elektrische Leitfähigkeit des beschichteten Sinterkörpers ist dabei abhängig vom verwendeten Beschichtungsmaterial bzw. von dessen elektrischer Leitfähigkeit. In einer Ausführungsform der Erfindung weist der beschichtete Sinterkörper 0,001 bis 10⁶ S/m, bevorzugt 10 bis 600 S/m auf.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Poren eine mittlere Porengröße im Bereich von 1 µm bis 5000 µm auf. Bevorzugt liegt die Porengröße der offenen Poren des Sinterkörpers im Bereich von 100 bis 800 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 600 µm. Poren mit entsprechenden Größen dabei vorteilhaft, da sie klein genug sind, um ausreichend große Kapillarkraft zu erzeugen und so den Nachschub an zu verdampfender Flüssigkeit insbesondere während des Betriebs des Verdampfers zu gewährleisten, gleichzeitig sind sie groß genug, um eine zügige Abgabe des Dampfes zu ermöglichen. Bei zu kleinen Poren besteht darüber hinaus die Gefahr, dass diese durch die elektrisch leitfähige Beschichtung ganz oder teilweise verschlossen werden können.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht eine zumindest bimodale Verteilung der Porengrößen vor. Hierbei weist der Sinterkörper kleine und große Poren mit jeweils einer diskreten Porengrößenverteilung auf. Die kleinen Poren ermöglichen eine große Kapillarkraft und somit für eine gute und zügige Aufnahme der Flüssigkeit in den Sinterkörper. Da kleine Poren jedoch den Dampf nur langsam abgeben, weist der Sinterkörper zusätzlich große Poren auf, die für eine schnelle Abgabe des Dampfes sorgen. Die Porengröße sowie das Verhältnis von großen zu kleinen Poren kann dabei über den Herstellungsprozess des Sinterkörpers eingestellt werden, indem als Porenbildner Salze mit unterschiedlichen Korngrößen im entsprechenden Verhältnis eingesetzt werden. Über das Verhältnis von großen zu kleinen Poren kann das Adsorptions- bzw. Desorptionsverhalten des Sinterkörpers eingestellt werden. Je nach Anwendungszweck liegt der Anteil an großen Poren im Bereich von 5 bis 95 % der Gesamtanzahl der Poren. Bevorzugt weist diese Weiterbildung der Erfindung kleine Poren im Bereich von 100 bis 300 µm und große Poren im Bereich von 500 bis 700 µm auf.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht der Sinterkörper aus Glas. Als besonders vorteilhaft haben sich hierbei Gläser mit einem relativ geringen Alkaligehalt gezeigt. Ein niedriger Alkaligehalt, insbesondere ein niedriger Gehalt an Natrium ist hierbei unter mehreren Gesichtspunkten vorteilhaft. Zum einen weisen entsprechende Gläser eine relativ hohe Transformationstemperatur T_g auf, so dass nach dem Auftragen der elektrisch leitfähigen Beschichtung diese bei relativ hohen Temperaturen eingebrannt werden kann. Insbesondere bei elektrisch leitfähigen Beschichtungen auf Oxidbasis wirken sich hohe Einbrandtemperaturen vorteilhaft auf die Dichte der elektrisch leitfähigen Beschichtung sowie die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers aus. Bevorzugt weisen die Gläser eine Transformationstemperatur Tg im Bereich von 300 °C bis 900 °C, bevorzugt 500 °C bis 800 °C auf.
Zum anderen zeigen Gläser mit einem relativ geringen Alkaligehalt auch bei hohen Temperaturen eine geringe Alkali-Diffusion, so dass bei relativ hohen Temperaturen gesintert werden kann bzw. der Einbrand einer Beschichtung erfolgen kann, ohne dass sich diese bzw. deren Eigenschaften negativ verändert. Die geringe Alkali-Diffusion der Gläser ist weiterhin auch im Betrieb des Sinterkörpers als Verdampfer vorteilhaft, da somit keine austretenden Bestandteile mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung oder mit der zu verdampfenden Flüssigkeit wechselwirken. Letzteres ist insbesondere bei der Verwendung des beschichteten Sinterkörpers als Verdampfer in medizinischen Inhalatoren relevant. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Alkalianteil des Glases von höchstens 11 Gew.-% oder sogar höchstens 6 Gew.-% herausgestellt.
Der Sinterkörper ist sowohl bei dessen Herstellung als auch im laufenden Betrieb großen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Im laufenden Betrieb es Verdampfers ergibt sich dies durch zahlreiche Aufheizzyklen. Der Sinterkörper muss somit neben einer hohen mechanischen auch eine hohe thermische Belastbarkeit aufweisen. Daher ist es vorteilhaft, wenn der Sinterkörper einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20-300°C von α_{Sinterkörper} < 11*10^-6 K^-1, vorzugsweise kleiner 8*10^-6 K^-1 aufweist. Um thermische Spannungen zwischen Sinterkörper und elektrisch leitfähiger Beschichtung möglichst gering zu halten, kann es je nach Beschichtung vorteilhaft sein, wenn der Sinterkörper einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20-300°C im Bereich von 1 bis 10*10^-6 K^-1, die elektrisch leitfähige Beschichtung einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20-300°C im Bereich von α_Beschichtung zu 1 bis 20*10^-6 K^-1 aufweist und/oder die Differenz der beiden thermischen Ausdehnungskoeffizienten Δα_20-300°C = α_20-300°C Schicht - α_20-300°C sinterkörper 0 bis 20*10^-6 K^-1, bevorzugt 0 bis 10*10^-6 K^-1, ebenso bevorzugt 0 bis 5*10^-6 K^-1 beträgt.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht eine metallische elektrisch leitfähige Beschichtung, bevorzugt Silber, und einen gläsernen Sinterkörper mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 8*10^-6 K^-1 bis 20*10^-6 K^-1 vor.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der beschichtete Sinterkörper eine elektrisch leitfähige Beschichtung aus ITO und einen gläsernen Sinterkörper mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 3*10^-6 K^-1 bis 8*10^-6 K^-1 auf. Entsprechende thermische Ausdehnungskoeffizienten bzw. Differenzen haben sich dabei insbesondere bei der Verwendung von metalloxidbasierten elektrisch leitfähigen Beschichtungen als vorteilhaft herausgestellt. Diese Beschichtungen werden meist mit einer größeren Schichtdicke als beispielsweise metallische Beschichtungen auf den Sinterkörper aufgetragen.
Überraschenderweise können trotz der α_20-300°C Unterschiede von Glas und Beschichtung auch bei der Verwendung von Metalloxiden als elektrisch leitfähige Beschichtung mit einer relativ großen Schichtdicken rissfreie oder zumindest rissarme Schichten erhalten werden. Insbesondere können rissfreie bzw. rissarme Schichten erhalten werden, wenn diese nach dem Abscheiden auf dem Sinterkörper mit hohen Temperaturen, bevorzugt bei Temperaturen im Bereich von 300 bis 900 °C eingebrannt werden. Es hat sich herausgestellt, dass entsprechende ITO-Beschichtungen auch im Betrieb eines Verdampfers, d.h. bei einer zyklischen thermischen Belastung nicht zu Rissbildung und nicht zur Delamination neigen. Damit bleibt auch die elektrische Leitfähigkeit des beschichteten Sinterkörpers und somit die Verdampfungsleistung des Verdampfers über die Lebensdauer des Verdampfers konstant oder zumindest weitgehend konstant. Ein weiterer Vorteil einer rissarmen Beschichtung besteht darin, dass auch im Betrieb des Verdampfers möglichst keine Freisetzung von Metalloxid- und/ oder Glas-Partikeln oder Flakes, insbesondere mit einer Teilchengröße < 5µm erfolgt, welche ansonsten vom Benutzer eingeatmet werden könnten.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist die elektrisch leitfähige Beschichtung und/oder eine Zwischenzone zum Sinterkörper einen Gradienten bezüglich des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient nimmt dabei von der Oberfläche der Beschichtung, welche Kontakt mit dem Sinterkörper hat zur freien Oberfläche der Beschichtung zu. Durch den/diesen Gradienten des α_20-300°C der elektrisch leitfähigen Beschichtung können so thermische Spannungen zwischen Sinterkörper und Beschichtung abgefangen werden.
Bevorzugt weist der Sinterkörper einen geringeren α_20-300°C auf als die elektrisch leitfähige Beschichtung. Somit ist gewährleistet, dass die Beschichtung im Heizbetrieb nicht unter Zugspannung gerät. Eine Zugspannung auf der Beschichtung kann sich hierbei nachteilig auf die Entwicklung von Rissen in der Beschichtung bzw. auf die Vergrößerung vorhandener Risse und/oder Delamination der Schicht auswirken.
Da es auf Grund der erfindungsgemäßen Bauweise des Verdampfers als Volumenverdampfer nicht zu lokalen Überhitzungen an beispielsweise der Oberfläche oder den Bereichen, die bei herkömmlichen Verdampfern in engerem und/ oder direktem Kontakt mit einem Heizelement oder Teilen eines Heizelementes stehen, kommt und somit insgesamt geringere Maximaltemperaturen als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verdampfern erreicht werden, ist eine Vielzahl von Gläsern geeignet. Durch die damit verbundene Auswahl an verschiedenen Gläsern kann für die jeweilige eingesetzte elektrisch leitfähige Beschichtung das jeweils passende Glas in Hinblick auf thermischen Ausdehnungskoeffizienten, chemische Beständigkeit oder eine mögliche Einbrandtemperatur ausgewählt werden.
Bei Verwendung des beschichteten Sinterkörpers als Verdampfer in einer elektronischen Zigarette oder als medizinischer Inhalator sollen zudem keine für den Benutzer eventuell gesundheitsgefährliche Stoffe aus dem Glas freigesetzt werden. Daher weisen die verwendeten Gläser bevorzugt folgende Elemente nicht oder nur in sehr geringen, nicht vermeidbaren Spuren auf: Arsen, Antimon, Cadmium und/oder Blei. Insbesondere ist der Gehalt an Arsen, Antimon Cadmium und/oder Blei kleiner als 500 ppm.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht folgende Glaszusammensetzung für den porösen Sinterkörper in Gew.-% vor:

SiO₂ 30 bis 85

B₂O₃ 3 bis 20

Al₂O₃ 0 bis 15

Na₂O 3 bis 15

K₂O 3 bis 15

ZnO 0 bis 12

TiO₂ 0,5 bis 10

CaO 0 bis 0,1
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Glas des porösen Sinterkörpers folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf:

SiO₂ 58 bis 65

B₂O₃ 6 bis 10,5

Al₂O₃ 14 bis 25

MgO 0 bis 3

CaO 0 bis 9

BaO 3 bis 8

ZnO 0 bis 2,

wobei gilt, dass die Summe des Gehalts von MgO, CaO und BaO dadurch gekennzeichnet ist, dass sie im Bereich von 8 bis 18 Gew.-/ liegt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Glas des porösen Sinterkörpers folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf:

SiO₂ 61

B₂O₃ 10

Al₂O₃ 18

MgO 2,8

CaO 4,8

BaO 3,3
Gläser dieser Ausführungsform weisen folgende Eigenschaften auf:

α_(20-300) 3,2·10^-6/K

T_g 717°C

Dichte 2,43 g/cm³
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der poröse Sinterkörper folgende Glaszusammensetzung in Gew.-% auf:

SiO₂ 55 bis 75

Na₂O 0 bis 15

K₂O 2 bis 14

Al₂O₃ 0 bis 15

MgO 0 bis 4

CaO 3 bis 12

BaO 0 bis 15

ZnO 0 bis 5

TiO₂ 0 bis 2
Eine Ausführungsform sieht einen Sinterkörper mit folgender Glaszusammensetzung in Gew.-% vor:

SiO₂ 64 - 74

Na₂O 6 - 10

K₂O 6 - 10

CaO 5 - 9

BaO 0 - 4

ZnO 2 - 6

TiO₂ 0 - 2
Mit Gläsern in diesem Zusammensetzungsbereich kann ein poröser Glaskörper mit folgenden Eigenschaften erhalten werden:

α_(20-300) 9,4·10^-6/K

T_g 533°C

Dichte 2,55 g/cm³
Eine weitere Ausführungsform sieht einen porösen Glaskörper mit folgender Zusammensetzung in Gew.-% vor:

SiO₂ 75 - 85

B₂O₃ 8 - 18

Al₂O₃ 0,5 - 4,5

Na₂O 1,5 - 5,5

K₂O 0 - 2
Mit dieser Zusammensetzung kann ein poröser Glaskörper mit folgenden Eigenschaften erhalten werden:

α_(20-300) 3,25·10^-6/K

T_g 525°C

Dichte 2,2 g/cm³

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Glas des porösen Sinterkörpers folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf:

SiO₂	50 bis 65
Al₂O₃	15 bis 20
B₂O₃	0 bis 6
Li₂O	0 bis 6
Na₂O	8 bis 15
K₂O	0 bis 5
MgO	0 bis 5
CaO	0 bis 7, bevorzugt 0 bis 1
ZnO	0 bis 4, bevorzugt 0 bis 1
ZrO₂	0 bis 4
TiO₂	0 bis 1, bevorzugt TiO₂-frei

Weiterhin können im Glas enthalten sein zu 0 bis 1 Gew.-%: P₂O₅, SrO, BaO; sowie Läutermittel zu 0 bis 1 Gew.-%: SnO₂, CeO₂ oder As₂O₃, F, Cl, Sulfat oder andere Läutermittel.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Glas des porösen Sinterkörpers ein keramisierbares Lithiumaluminosilikatglas. Eine Ausführungsform sieht folgende Glaszusammensetzung in Gew.-% vor:

SiO₂	55 - 69
Al₂O₃	15 - 25
Li₂O	3 - 5
Na₂O + K₂O	0 - 30
MgO + CaO +SrO + BaO	0-5
ZnO	0-4
TiO₂	0-5
ZrO₂	0-5
TiO₂ + ZrO₂ + SnO₂	2-6
P₂O₅	0-8
F	0-1
B₂O₃	0-2
α_20-300°C	3,3-5,7 als Glas

Das Glas weist ein α_20-300°C im Bereich von 3,3*10^-6 K^-1 bis 5,7*10^-6 K^-1 auf.

Alternativ weist das Glas des porösen Sinterkörpers folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf:

SiO₂	57 - 66
Al₂O₃	15 - 23
Li₂O	3 - 5
Na₂O + K₂O	3 - 25
MgO + CaO +SrO + BaO	1 - 4
ZnO	0 - 4
TiO₂	0 - 4
ZrO₂	0 - 5
TiO₂ + ZrO₂ + SnO₂	2 - 6
P₂O₅	0 - 7
F	0 - 1
B₂O₃	0 - 2

Das Glas dieser Ausführungsform weist ein α_20-300°C im Bereich von 4,7*10^-6 K^-1 bis 5,7*10^-6 K^-1 auf. Als besonders vorteilhaft hat sich folgende Glaszusammensetzung in Gew.-% herausgestellt:

SiO₂	57 - 63
Al₂O₃	15 - 22
Li₂O	3.5 - 5
Na₂O + K₂O	5 - 20
MgO + CaO +SrO + BaO	0 - 5
ZnO	0 - 3
TiO₂	0 - 3
ZrO₂	0 - 5
TiO₂ + ZrO₂ + SnO₂	2 - 5
P₂O₅	0 - 5
F	0 - 1
B₂O₃	0 - 2

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, einen porösen Sinterkörper aus Kalk-Natronglas zu verwenden.
Insbesondere ist das Kalk-Natronglas ein Glas mit folgender Zusammensetzung in Gew.-%:

SiO₂ 40 - 81

Al₂O₃ 0 - 6

B₂O₃ 0 - 5

Li₂O + Na₂O + K₂O 5 - 30

MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO 5 - 30

TiO₂ + ZrO₂ 0 - 7

P₂O₅ 0 - 2
Gläser dieser Ausführungsform weisen ein α_20-300°C im Bereich von 5,5*10^-6 K^-1 bis 9,7*10^-6 K^-1 auf.
Bevorzugt wird ein Kalk-Natronglas mit folgender Zusammensetzung für den porösen Sinterkörper verwendet:

SiO₂ 50 - 81

Al₂O₃ 0 - 5

B₂O₃ 0 - 5

Li₂O + Na₂O + K₂O 5 - 28

MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO 5 - 25

TiO₂ + ZrO₂ 0 - 6

P₂O₅ 0 - 2
Gläser dieser Ausführungsform weist ein α_20-300°C im Bereich von 4,9*10^-6 K^-1 bis 10,3*10^-6 K^-1 auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform dieser Weiterbildung besteht der gläserne poröse Sinterkörper aus einem Kalk-Natronglas mit der folgenden Zusammensetzung in Gew.-%:

SiO₂ 55 - 76

Al₂O₃ 0 - 5

B₂O₃ 0 - 5

Li₂O + Na₂O + K₂O 5 - 25

MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO 5 - 20

TiO₂ + ZrO₂ 0 - 5

P₂O₅ 0 - 2

Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält das Glas des Sinterkörpers folgende Bestandteile in Gew.-%:

SiO₂	1 bis 85
B₂O₃	0 bis 60
Al₂O₃	0 bis 30
Li₂O	0 bis 5
Na₂O	0 bis 20
K₂O	0 bis 15
ZnO	0 bis 62
TiO₂	0 bis 10
CaO	0 bis 35
BaO	0 bis 60
MgO	0 bis 10
SrO	0 bis 30
La₂O₃	0 bis 40
Fe₂O₃	0 bis 10
MnO2	0 bis 5
Bi₂O₃	0 bis 85
Cs₂O	0 bis 20
SnO	0 bis 5
ZrO₂	0 bis 10
Y₂O₃	0 bis 15
F	0 bis 7

Gemäß einer Ausführungsform können die Gläser färbende Oxide, wie Nd₂O₃, Fe₂O₃, CoO, NiO, V₂O₅, MnO₂, TiO₂, CuO und/oder CeO₂ enthalten. Alternativ oder zusätzlich können 0 - 2 Gew-% As₂O₃, Sb₂O₃, SnO₂, SO₃, Cl, F und/oder CeO₂ als Läutermittel zugegeben werden.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, dem Glas alternativ oder zusätzlich Pigmente zuzugeben.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der beschichtete Sinterkörper neben der elektrisch leitenden Beschichtung eine oder mehrere weitere Beschichtungen auf. So kann beispielsweise ein beschichteter Sinterkörper, der galvanisch mit einem Metall als elektrisch leitende Schicht beschichtet wurde, eine sog. Starterbeschichtung zwischen der Oberfläche des Sinterkörpers und der elektrisch leitenden Metallschicht aufweisen.
Bei Metallen als elektrisch leitfähige Beschichtung und einem Sinterkörper aus Glas kann das Problem auftreten, dass sich die Oberflächenspannungen von Glas und Metall erheblich unterscheiden können und somit eine gute Anhaftung der elektrisch leitfähigen Beschichtung auf der Glasoberfläche schwer erreicht werden kann. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, eine oxidische Schicht zwischen Sinterkörper und metallischer Beschichtung aufzubringen. Diese Schicht wirkt als Haftvermittler, so dass eine besonders gute Anhaftung der metallischen Beschichtung erzielt werden kann. Des Weiteren kann durch eine zusätzliche Beschichtung die Oberfläche des Sinterkörpers das Zeta-Potential der Oberfläche verändert und somit an das Zeta-Potential der zu verdampfenden Flüssigkeit angepasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine weitere Schicht, beispielsweise eine Schutz- oder Passivierungsschicht auf der elektrisch leitenden Beschichtung abgeschieden werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die elektrisch leitende Beschichtung oder der Körper eine weitere Komponente, beispielsweise eine antibakterielle und/oder antimikrobielle Komponente enthalten. Als antibakterielle bzw. antimikrobielle Komponente eignen sich unter anderem Silber, ZnO oder TiO₂. Silber als Bestandteil der leitfähigen Beschichtung hat den Vorteil, einerseits leitfähig zu sein, andererseits auch antibakteriell zu wirken.
Der erfindungsgemäß beschichtete Sinterkörper kann als Heizelement in einem Verdampfer verwendet werden. Hier kann die notwendige elektronische Kontaktierung mechanisch, beispielsweise durch Federkräfte oder durch einen Formschluss, oder stoffschlüssig, beispielsweise durch eine Lötverbindung, erfolgen. Als Lot kann beispielsweise eine Silberleitpaste verwendet werden. Auch ist eine Kontaktierung über Zwischenschichten möglich.
Ein entsprechender Verdampfer kann beispielsweise Teil einer elektronischen Zigarette, eines medizinischen Inhalators, eines Duftspenders, eines Raumbefeuchters oder einer Vorrichtung zur Abgabe von Substanzen wie z.B. Insektizide oder Insektenrepellents oder für artverwandte Anwendungen sein.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer elektrisch leitenden Beschichtung beschichteten Sinterkörpers. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Verfahrensschritte

a) Bereitstellung eines Sinterkörpers aus Glas oder Glaskeramik mit einer offenen Porosität im Bereich von 10 bis 90 % und
b) Beschichtung der durch die offenen Poren gebildeten Oberfläche des Sinterkörpers inklusive der Oberfläche von Poren im Inneren des Sinterkörpers mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung.

Die Bereitstellung des Sinterkörpers in Schritt a) kann durch ein Verfahren erfolgen, bei dem zunächst feinkörniges Glaspulver mit mittleren Korngrössen im Bereich ca. 20 µm bis 600 µm, bevorzugt maximal 300 µm mit einem hochschmelzenden, Salz und einem Bindemittel gemischt wird. Die Korngröße des eingesetzten Salzes wird an die gewünschte Porengröße des Sinterkörpers angepasst. Dieser Mischung werden 5 bis 80 Gew.-% feinkörniges Glaspulver zugesetzt und die Masse wird in Form gepresst. Der so entstandene Formkörper wird auf die Sintertemperatur des Glases erhitzt und gesintert. Die Schmelztemperatur des verwendeten Salzes liegt dabei über der entsprechenden Sintertemperatur, so dass die Kornstruktur des Salzes erhalten bleibt. Nach dem Sinterprozess wird das Salz mit einem geeigneten Lösungsmittel ausgewaschen. Als besonders geeignet haben sich hierbei die Salze NaCl und K₂SO₄ herausgestellt. Auch andere Salze wie KCl, MgSO₄, Li₂SO₄, Na₂SO₄ sind denkbar. Die Wahl des Salzes richtet sich, neben Aspekten wie Kosten, Umweltverträglichkeit o.ä., nach dem genutzten Glas bzw. dessen Temperaturbedarf der Sinterung. In einer Ausführungsform der Erfindung werden 20 bis 85 Gew.-% Salz mit einer Korngröße von 30 bis 5000 µm mit 5 bis 85 Gew.-% Glaspulver einer Korngröße im Bereich von 1 bis 500 µm sowie mit einer wässrigen Polyethylenglykollösung versetzt und gründlich vermischt. Das so erhaltene Gemenge kann entweder getrocknet oder im feuchten Zustand mit 5 bis 80 Gew.-% Glaspulver (bezogen auf die Masse des Gemenges) versetzt werden. Die Mischung wird in Form gepresst und bei der Sintertemperatur des eingesetzten Glases versintert. Anschließend wird das Salz ausgewaschen, so dass ein poröser Sinterkörper erhalten wird.
Hierdurch wird ein hochporöser, offenporiger Sinterkörper erhalten. Da die einzelnen Glaskörner durch den Sinterprozess fest miteinander verbunden werden, weist der Sinterkörper trotz der hohen Porosität verglichen mit einem entsprechenden Glasfasermaterial, beispielsweise einem Docht aus Glasfaserschnur, eine gute mechanische Festigkeit auf. Innerhalb des Sinterkörpers sind somit keine losen oder leicht ablösbaren Partikel vorhanden, die bei einer Verwendung als Flüssigkeitsspeicher in einer elektronischen Zigarette und/oder einem Verabreichungsgerät von Medikamenten und/oder thermisch beheizten Evaporatoren für Duftstoffe freigesetzt und vom Benutzer eingeatmet werden können. Durch die hohe mechanische Stabilität des Sinterkörpers können somit Flüssigkeitsspeicher bereitgestellt werden, die sogar Porositäten von mehr als 80 Vol.-% aufweisen können.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt a) ein Sinterkörper aus Glas bereitgestellt. Als vorteilhaft hat sich ein Sinterkörper aus Glas mit einem Alkaligehalt < 15 Gew.-%, bevorzugt < 10 Gew.-% und besonders bevorzugt < 5 Gew.-% herausgestellt. Gläser mit einem entsprechend geringem Alkaligehalt Entsprechende Gläser weisen eine hohe Erweichungstemperatur auf, so dass in Schritt a) erfolgende Sinterung bei hohen Temperaturen erfolgen kann. Als besonders vorteilhaft haben sich hierbei Alumosilikatgläser und Borosilikatgläser herausgestellt.
In Schritt b) kann die elektrisch leitende Schicht durch Kondensation oder Ausscheidung von Feststoff aus einer Dispersion, Kondensation oder Ausscheidung von Feststoff aus einer Lösung (z.B. Sol-Gel), Kondensation oder Ausscheidung von Feststoff aus der Gasphase oder durch ein galvanisches Verfahren auf der Oberfläche des Sinterkörpers abgeschieden werden. Die jeweilige Beschichtungsmethode ist abhängig vom verwendeten Beschichtungsmaterial sowie der gewünschten Schichtdicke.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine metallische Schicht elektrolytisch abgeschieden. Beispielsweise kann auf den porösen Sinterkörper eine Silberbeschichtung durch Abscheidung aus einer Silberlösung abgeschieden werden. Der Silbergehalt der hierzu verwendeten Lösung beträgt vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-% oder 15 bis 20 Gew.-%. Alternativ kann Silber durch Reduktion aus Lösung, beispielsweise durch Reduktion einer Silbernitratlösung mit Zucker oder durch Fällungsreaktionen abgeschieden werden.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, das in Schritt b) eine elektrisch leitfähige Beschichtung in Form eines Metalloxids Indiumzinnoxid (ITO), mit Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO), Fluorzinnoxid (FTO) und Antimonzinnoxid (ATO) aufgebracht wird. Bevorzugt wird das Metalloxid in Schritt b) durch Kondensation oder Ausscheidung aus einer Lösung oder Dispersion, besonders bevorzugt aus einer Dispersion abgeschieden.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Beschichtung des Sinterkörpers durch ein Tauchverfahren herausgestellt. In einer entsprechenden Ausführungsform der oben genannten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Tauchverfahren zumindest die folgenden Verfahrensschritte:

a2) Bereitstellung des Sinterkörpers
b2) Bereitstellung einer Dispersion oder Lösung des Metalloxids
c2) Eintauchen des Sinterkörpers in die in Schritt b2) bereit gestellte Dispersion für eine vordefinierte Tauchzeit t_Tauch
d2) Trocknen des in Schritt c2) erhaltenen beschichteten Sinterkörpers
e2) Einbrennen der durch die Schritte c2) und d2) erhaltenen Schicht für eine Zeitdauer t_Einbrand bei einer vordefinierten Einbrandtemperatur T_Einbrand

Die Schichtdicke der mittels Tauchverfahren abgeschiedenen elektrisch leitfähigen Beschichtung beträgt bevorzugt 200 nm bis 200 µm, besonders bevorzugt 200 nm bis 10 µm und kann über den Feststoffgehalt der in Schritt b) eingesetzten Dispersion oder Lösung eingestellt werden.
Bevorzugt beträgt der Feststoffanteil 1 bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 20 bis 35 Gew.-%. Alternativ oder zusätzlich kann die gewünschte Schichtdicke der abgeschiedenen Schicht über die Anzahl der Tauchvorgänge des Sinterkörpers erhalten werden. So sieht eine Ausführungsform vor, dass die Schritte c2) und d2) mehrfach, bevorzugt 2 bis 3mal durchgeführt werden. In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Sinterkörper bei den verschiedenen Tauchvorgängen unterschiedlich lange getaucht. So kann ein Gradient in der elektrischen Leitfähigkeit der Beschichtung erreicht werden.
In Schritt e2) erfolgt der Einbrand der Schicht bevorzugt bei einer Einbrandtemperatur T_Einbrand im Bereich von 60 bis 1000 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 300 bis 900°C. Besonders bei hohen Einbrandtemperaturen können sehr dichte Schichten erhalten werden. So können auch bei großen Schichtdicken rissarme oder sogar rissfreie Beschichtungen erhalten werden. Die Beschichtung bleibt dabei auch bei unterschiedlichen α_20-300°C von Sinterkörper und Beschichtung unter zyklischer thermischer Belastung rissarm bzw. rissfrei. Es wird vermutet, dass durch die hohen Einbrandtemperaturen eine Diffusionszone zwischen Metalloxid und Sinterkörper ausbildet, welche die α_20-300°C Unterschiede abfängt. Das Einbrennen der elektrisch leitfähigen Beschichtung in Schritt e2) kann dabei unter Inertgas, unter Vakuum oder unter leicht reduzierender Atmosphäre, beispielsweise in einer 3 bis 50%igen Wasserstoffatmosphäre oder unter Kohlenstoffmonoxid, erfolgen.
Das oben beschriebene Verfahren bzw. dessen oben beschriebene Ausführungsformen kann auch zur Beschichtung von porösen Keramiken angewandt werden. In diesem Fall wird in Schritt a) anstelle eines Sinterkörpers aus Glas oder Glaskeramik ein poröser Sinterkörper aus einer Keramik bereitgestellt. Es hat sich hierbei als vorteilhaft herausgestellt, wenn die bereit gestellte Keramik den beschriebenen porösen Körpern aus Glas oder Glaskeramik in Hinblick auf deren Porosität und/oder Porengröße gleicht oder zumindest ähnelt.
Die mittels dieses Verfahrens auf der Porenoberfläche einer porösen Keramik abgeschiedenen elektrisch leitenden Schichten sind mit den elektrisch leitenden Schichten der erfindungsgemäßen Sinterkörper aus Glas oder Glaskeramik vergleichbar. Dies gilt insbesondere in Hinblick auf Merkmale wie die verwendeten elektrisch leitfähigen Materialien, die Schichtdicken, die elektrischen Leitfähigkeiten und/oder die elektrischen Widerstände der elektrisch leitenden Schichten.
Des Weiteren ist ein Verdampferkopf mit einem erfindungsgemäßen Sinterkörper Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Dieser weist zumindest ein Gehäuse, den erfindungsgemäßen Sinterkörper sowie elektrische Kontakte zum Anschluss des Sinterkörpers an eine elektrische Energiequelle auf.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines konventionellen Verdampfers,
2 eine schematische Darstellung eines Sinterkörpers mit elektrischer Kontaktierung an den Mantelflächen des Sinterkörpers,
3 eine schematische Darstellung eines Verdampfers mit einem erfindungsgemäß beschichteten Sinterkörper als Heizelement,
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß beschichteten Sinterkörpers im Querschnitt,
5 ein REM-Bild eines ersten Ausführungsbeispiels,
6 eine lichtmikroskopische Aufnahme eines zweiten Ausführungsbeispiels,
7 eine schematische Darstellung einer Weiterbildung der Erfindung mit einer bimodalen Porengrößenverteilung,
8 die Porengrößenverteilung eines dritten Ausführungsbeispiels,
9a und 9b die schematische Darstellung eines erfindungsgemäß beschichteten Sinterkörpers als Bauteil in einem Verdampfer und
10 Wärmebildaufnahmen eines konventionellen Verdampfers sowie eines Verdampfers mit einem erfindungsgemäß beschichteten Sinterkörper als Heizelement.

Tabelle 1 und 2 zeigen die Zusammensetzungen des porösen Sinterkörpers verschiedener Ausführungsbeispiele. Durch ihre unterschiedlichen Zusammensetzungen weisen die einzelnen Ausführungsbeispiele verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Die Ausführungsbeispiele 8 bis 10 weisen beispielsweise Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 3,2*10^-6 K^-1 bis 3,8*10^-6 K^-1 und eignen sich insbesondere für poröse Sinterkörper mit einer elektrisch leitenden Beschichtung auf Basis eines Metalloxids, beispielsweise mit ITO. Zudem sind die Gläser 8 bis 10 frei oder zumindest weitgehend frei von Natrium, was sich nicht nur auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sondern auch auf die Glasübergangstemperaturen T_g auswirkt. Diese liegen über 700°C und erlauben so hohe Einbrandtemperaturen beim Beschichtungsprozess mit ITO, so dass rissfreie oder zumindest weitgehend rissfreie, elektrisch leitende Beschichtungen mit einer besonders hohen mechanischen Stabilität erhalten werden können.

Die Gläser 2 bis 7 weisen dagegen einen relativ hohen Gehalt an Natrium und dementsprechend höhere thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Sie sind daher insbesondere für die Herstellung von porösen Sinterkörpern geeignet, die mit einer metallischen Beschichtung beschichtet werden sollen. Zudem können die Gläser der Ausführungsbeispiele 2 bis 7 auf Grund. des hohen Gehaltes an Natrium chemisch gehärtet werden. So kann der Sinterkörper beispielsweise vor der Beschichtung chemisch vorgespannt werden. Dies erhöht die mechanische Stabilität des porösen Sinterkörpers Tabelle 1: Ausführungsbeispiele 1 bis 7

	1	2	3	4	5	6	7
SiO₂	64,0	62,3	62,2	52	60,7	62	61,1
B₂O₃	8,3		0,2				4,5
Al₂O₃	4,0	16,7	18,1	17	16,9	17	19,6
Li₂O			5,2
Na₂O	6,5	11,8	9,7	12	12,2	13	12,1
K₂O	7,0	3,8	0,1	4	4,1	3,5	0,9
SrO			0,1
CaO			0,6	6		0,3	0,1
SnO₂					0,4	0,1	0,2
TiO₂	4,0	0,8				0,6
Sb₂O₃	0,6
As₂O₃		0,7
Cl-	0,1
P₂O₅			0,1
MgO		3,7		4		1,2
ZrO₂		0,1	3,6	1,5	1,5
CeO₂		0,1			0,3		0,3
ZnO	5,5		0,1	3,5

T_g [°C]		607	505	556	623		600
α(20-300 [K^-1]		8,6*10^-6	8,5*10^-6	9,7*10^-6	8,3*10^-6		8,9*10^-6
Dichte [g/cm³]		2,4	2,5	2,6	2,4		2,4

Tabelle 2: Ausführungsbeispiele 8 bis 12

	8	9	10	11	12
SiO₂	59,7	58,8	62,5	74,3	72,8
B₂O₃	7,8	10,3	10,3
Al₂O₃	17,1	14,6	17,5	1,3	0,2
Li₂O
Na₂O				13,2	13,9
K₂O				0,3	0,1
SrO	7,7	3,8	0,7
BaO	0,1	5,7
CaO	4,2	4,7	7,6	10,7	9,0
SnO₂
TiO₂
Sb₂O₃		0,2
As₂O₃		0,7
Cl-
P₂O₅
MgO		1,2	1,4	0,2	4,0
ZrO₂
CeO₂
ZnO

T_g [°C]	719	705		573	564
α(20-300 [K^-1]	3,8*10^-6	3,73*10^-6	3,2*10^-6	9*10^-6	9,5*10^-6
Dichte [g/cm³]	2,51	2,49	2,38

In 1 wird ein Beispiel für einen konventionellen Verdampfer mit einem porösen Sinterkörper 2 als Flüssigkeitsspeicher gezeigt. Durch die Kapillarkräfte des porösen Sinterkörpers 2 wird die zu verdampfende Flüssigkeit 1 vom porösen Sinterkörper 2 aufgenommen und weiter in alle Richtungen des Sinterkörpers 2 transportiert. Die Kapillarkräfte werden dabei durch die Pfeile 4 symbolisiert. Im oberen Abschnitt des Sinterkörpers 2 wird eine Heizspirale 3 so positioniert, dass der entsprechende Abschnitt 2a des Sinterkörpers 2 durch Wärmestrahlung erhitzt wird. Die Heizspirale 3 wird daher sehr nah an die Mantelflächen des Sinterkörpers 2 gebracht und soll die Mantelflächen möglichst nicht berühren. In der Praxis ist jedoch ein direkter Kontakt von Heizdraht und Mantelfläche oft nicht vermeidbar.
Im Heizbereich 2a erfolgt die Verdampfung der Flüssigkeit 1. Dies wird durch die Pfeile 5 dargestellt. Die Verdampfungsgeschwindigkeit ist dabei abhängig von der Temperatur und des Umgebungsdrucks ab. Je höher die Temperatur und je niedriger der Druck ist, desto schneller erfolgt die Verdampfung der Flüssigkeit im Heizbereich 2a.
Da die Verdampfung der Flüssigkeit 1 nur lokal an den Mantelflächen des Heizbereiches 2a des Sinterkörpers erfolgt, muss die Erwärmung dieses lokalen Bereiches mit relativ hohen Heizleistungen erfolgen um eine schnelle Verdampfung innerhalb von 1 bis 2 Sekunden zu erreichen. Daher müssen hohe Temperaturen von mehr als 200°C aufgewendet werden. Hohe Heizleistungen, insbesondere in einem lokal eng begrenztem Bereich, können jedoch zu einer lokalen Überhitzung und somit gegebenenfalls zu einer Zersetzung der zu verdampfenden Flüssigkeit 1 und des Materials des Flüssigkeitsspeichers bzw. Dochtes führen.
Des Weiteren können hohe Heizleistungen auch zu einer zu schnellen Verdampfung führen, so dass durch die Kapillarkräfte nicht schnell genug weitere Flüssigkeit 1 zur Verdampfung bereitgestellt werden kann. Dies führt ebenfalls zu einer Überhitzung der Manteloberflächen des Sinterkörpers im Heizbereich 2a. Daher kann eine Einheit, beispielsweise eine Spannungs-, Leistungs- und/oder Temperatureinstellungs, -steuerungs oder -regelungseinheit (hier nicht dargestellt) eingebaut werden, welche jedoch zu Lasten der Batterielebensdauer geht und die maximale Verdampfungsmenge limitiert.
Nachteilig am in 1 dargestellten und aus dem Stand der Technik bekannten Verdampfer sind somit die lokale Heizungsmethode und der damit verbundene uneffektive Wärmetransport, die komplexe und teure Kontrolleinheit und die Überhitzungs- und Zersetzungsgefahr der zu verdampfenden Flüssigkeit.
2 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Verdampfereinheit, bei welcher das Heizelement 30 direkt auf dem Sinterkörper 20 angeordnet ist. Insbesondere ist das Heizelement 30 fest mit dem Sinterkörper 20 verbunden. Eine solche Verbindung kann insbesondere erzielt werden, indem das Heizelement 30 als Schichtwiderstand ausgebildet ist. Dazu wird eine leiterförmig strukturierte, elektrisch leitende Beschichtung nach Art eines Schichtwiderstands auf dem Sinterkörper 20 aufgebracht. Eine direkt auf dem Sinterkörper 20 aufgebrachte Beschichtung als Heizelement 30 ist unter anderem vorteilhaft, um einen guten Wärmekontakt zu erreichen, der ein schnelles Aufheizen ermöglicht. Jedoch weist auch die in 2 gezeigte Verdampfereinheit nur eine lokal begrenzte Verdampfungsoberfläche, so dass auch hier die Gefahr einer Überhitzung der Oberfläche gegeben ist.
3 zeigt schematisch den Aufbau eines Verdampfers mit einem erfindungsgemäßen Sinterkörper 6. Wie auch der poröse Sinterkörper 2 in 1 und 2 taucht dieser in die zu verdampfende Flüssigkeit 1 ein. Durch Kapillarkräfte (dargestellt durch die Pfeile 4) erfolgt ein Transport der zu verdampfenden Flüssigkeit in das gesamte Volumen des Sinterkörpers 6. Der Sinterkörper 6 weist eine elektrisch leitende Beschichtung auf, wobei die Oberfläche, die durch die offenen Poren gebildet wird, mit der elektrisch leitenden Beschichtung versehen ist. Somit wird bei Anlegen einer elektrischen Spannung der Sinterkörper 6 im gesamten Volumen mit großer Oberfläche erhitzt. Somit wird die Flüssigkeit 1 im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Verdampfer nicht nur an den Mantelflächen des Sinterkörpers, d.h. in einem lokal begrenzten Teil des Sinterkörpers 6, sondern im gesamten Volumen des Sinterkörpers 6 gebildet. Ein Kapillartransport zu den Mantelflächen bzw. beheizten Flächen oder Elementen des Sinterkörpers 6 ist somit nicht notwendig. Zudem besteht nicht die Gefahr einer lokalen Überhitzung. Da die Verdampfung im Volumen wesentlich effizienter abläuft als mittels einer Heizspirale in einem lokal begrenzten Heizbereich kann die Verdampfung bei wesentlich geringeren Temperaturen und einer geringeren Heizleistung erfolgen. Ein geringerer elektrischer Leistungsbedarf ist insofern vorteilhaft, da somit die Nutzungszeit pro Akkuladung steigt bzw. kleinere Akkus oder Batterien verbaut werden können.
4 zeigt den Aufbau eines beschichteten Sinterkörpers 6 mit offener Porosität an Hand eines schematischen Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel. Der beschichtete Sinterkörper 6 weist eine poröse, gesinterte Glasmatrix 7 mit offenen Poren 8a, 8b auf. Ein Teil der offenen Poren 8b bildet mit ihrer Porenoberfläche die Mantelflächen des Sinterkörpers, während ein anderer Teil der Poren 8a das Innere des Sinterkörpers bilden. Alle Poren des Sinterkörpers weisen elektrisch leitfähige Beschichtung 9 auf.
5 ist eine REM-Aufnahme eines Sinterkörpers mit elektrisch leitfähiger Beschichtung. Die Oberfläche der Poren 8 ist mit einer ITO-Schicht 9 als elektrisch leitfähige Beschichtung beschichtet. Die gesinterte Glasmatrix 7 ist ein Alumo-Boro-Silikatglas mit folgender Zusammensetzung:

Alkalioxide 1 bis 11 Gew.-%

Erdalkalioxide 1 bis 13 Gew.-%

B₂O₃ 1 bis 20 Gew.-%

Al₂O₃ 1 bis 17 Gew.-%

SiO₂ 50 bis 96 Gew.-%.
Ein Glas mit der oben genannten Zusammensetzung schmilzt sehr langsam und in einem großen Temperaturbereich. Somit eignet es sich besonders gut für die Herstellung von porösen Materialien nach Schmelz- und Sinterverfahren. Gläser aus diesem Zusammensetzungsbereich können Schmelztemperaturen von mehr als 1000°C aufweisen, was ein Einbrennen der elektrisch leitfähigen Beschichtung bei Temperaturen bis zu 900 °C ermöglicht und was sich positiv auf die Beschichtungseigenschaften wie Dichte auswirkt und Risse in der Beschichtung verhindert. Der geringe lineare thermische Ausdehnungskoeffizient (α_20-300°C) von Glas reduziert thermisch- induzierte Spannungen und erhöht somit die mechanische Stabilität des Materials gegenüber Temperaturunterschieden, wie sie bei Ein- und Ausschaltvorgängen im Verdampfer auftreten. Zudem ist das elektrisch leitfähig beschichtete Glas als Heizkörper gegenüber Temperaturen bis 600°C dauerhaft beständig.
6 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme eines mit einer ITO-Schicht beschichteten Sinterkörpers.
Aus optischen und elektronenmikroskopischen Messungen konnte an dem dargestellten Sinterkörper gemessen werden, dass die ITO-Schicht eine Schichtdicke von 200nm bis 2000 nm aufweist und überraschender Weise keine Risse zeigt. Dies ist erstaunlich, da das Glas (3,3*10^-6 K^-1) und ITO (7,2*10^-6 K^-1) unterschiedliche lineare thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
7 zeigt den Aufbau eines beschichteten Sinterkörpers 60 gemäß einer Weiterbildung der Erfindung an Hand eines schematischen Querschnitts. Der beschichtete Sinterkörper 60 weist eine poröse, gesinterte Glasmatrix 70 mit offenen Poren 80, 81 auf, wobei die Poren eine bimodale Porengrößenverteilung mit großen Poren 80 und kleinen Poren 81 aufweisen. Ein Teil der offenen Poren 8b bildet mit ihrer Porenoberfläche die Mantelflächen des Sinterkörpers, während ein anderer Teil der Poren das Innere des Sinterkörpers bilden. Alle Poren des Sinterkörpers weisen eine elektrisch leitfähige Beschichtung 90 auf. Die kleinen Poren 81 ermöglichen eine gute und zügige Aufnahme der zu verdampfenden Flüssigkeit in den Sinterkörper, während die großen Poren 80 eine schnelle Abgabe des Dampfers ermöglichen. Je nach Anwendung kann über das Verhältnis von großen zu kleinen Poren sowie über deren Porengröße das Aufnahmeverhalten sowie die Desorptionseigenschaften im Betrieb des Verdampfers eingestellt werden.
In 8 ist die Porengrößenverteilung eines Ausführungsbeispiels der in 7 schematisch dargestellten Weiterbildung abgebildet. Die Porengrößenverteilung des porösen Sinterkörpers weist hierbei ein Maximum bei ca. 200 µm sowie ein Maximum bei ca. 600 µm auf, wobei der Anteil der kleinen Poren (200 µm) in diesem Ausführungsbeispiel dem Anteil der großen Poren (600 µm) entspricht. Die Porengröße kann beim Herstellungsprozess durch die Korngröße des als Porenbildner verwendeten Salzes eingestellt werden, das Verhältnis von großen zu kleinen Poren entsprechend über das Verhältnis der eingesetzten Korngrößen sowie deren Korngrössenverteilungen.
9a und 9b zeigen schematisch einen erfindungsgemäß beschichteten Sinterkörper 3 als Bauteil in einem möglichen Verdampfer. Der Verdampfer weist ein Reservoir mit der zu verdampfenden Flüssigkeit 1 auf. Der Verdampfungsraum 11 ist durch eine Stahlwand 12 von der zu verdampfenden Flüssigkeit 1 getrennt. Durch Öffnungen (12a, 12b) in der Stahlwand kommt die zu verdampfende Flüssigkeit 1 in Kontakt mit dem beschichteten Sinterkörper 3. Durch Kapillarkräfte saugt dieser die zu verdampfende Flüssigkeit 1 an. Durch Anlegen einer Spannung 10 an den elektrisch leitend beschichteten Sinterkörper 3 wird dieser im Volumen erwärmt, so dass die Flüssigkeit 1 im gesamten Volumen des Sinterkörpers 3 verdampft wird.
Die Dampferzeugung erfolgt so lange, bis die Poren des Sinterkörpers 3 und/oder das Reservoir keine Flüssigkeit 1 mehr enthalten oder der Stromfluss ausgeschaltet wird. Beim Ausschalten des Verdampfers saugen sich die Poren durch die Kapillarkraft wieder mit Flüssigkeit voll, so dass bei einem erneuten Anschalten des Verdampfers durch den Benutzer wieder ausreichend Flüssigkeit 1 zur Verdampfung zur Verfügung steht.
Die maximale mögliche, erzeugbare Dampfmenge ist dabei gleich der Menge der im porösen Sinterkörper 3 gespeicherten oder speicherbaren Flüssigkeit. Die erzeugbare Dampfmenge kann beispielsweise somit durch die Abmessungen des Sinterkörpers 3 und dessen Porosität gesteuert werden. Dabei haben sich kleine Sinterkörper mit einer hohen Porosität als besonders vorteilhaft in Hinblick auf die Effektivität des Verdampfungsprozesses sowie den Energieverbrauch und Nachfluss von Liquid bzw. Füllgeschwindigkeit herausgestellt.
10 zeigt Wärmebildaufnahmen eines konventionellen Verdampfers (10 b) sowie eines Verdampfers mit einem erfindungsgemäß beschichteten Sinterkörper als Heizelement (10a). Während beim Verdampfer mit einem erfindungsgemäß beschichteten Sinterkörper als Heizelement die Verdampfungstemperaturen im Bereich von lediglich 127 bis 135 °C liegen, benötigt ein konventioneller Verdampfer mit einem spiralförmigen Heizdraht als Heizelement Verdampfungstemperaturen im Bereich von 252 bis 274 °C zur Erzeugung der gleichen oder zumindest ähnlichen Dampfmenge.

Tabelle 3 zeigt die Verdampfungsparameter bei einem konventionellen Verdampfer sowie bei einem Verdampfer mit einem erfindungsgemäß beschichteten Sinterkörper als ein Ausführungsbeispiel. Die jeweiligen Verdampfer wurde in einem Aufbau analog zu einer elektronischen Zigarette betrieben. Die Leistung wurde durch Messung von anliegender Spannung und fließendem Strom mit Hilfe von elektrotechnischen Messgeräten, die erzeugte Dampfmenge über den Gewichtsverlust der Flüssigkeit ermittelt. Tabelle 3: Verdampfer im Vergleich

	Konventioneller Verdampfer	Ausführungsbeispiel
Abmessungen	OD = 5 mm, ID = 3 mm, Länge 12 mm	Hohlzylinder mit OD = 6 mm, ID = 2mm, Länge des Zylinders 5mm
Angelegte Spannung	4 V	4 V
Benötigte Heizleistung	16 W	2 W
Betriebstemperatur	252 - 274 °C	127 - 135 °C
Dampfmenge [Milligramm/Min	max. 72	min. 72

Wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist, weisen beide Verdampfer eine vergleichbare Größe auf. Um die gleiche Dampfmenge wie ein konventioneller Verdampfer zu erzeugen benötigt ein Verdampfer mit einem erfindungsgemäß beschichteten Sinterkörper eine wesentlich geringere Heizleistung und geringere Verdampfungstemperaturen.
Bei Ausführungsbeispiel liegt die Verdampfungstemperatur deutlich unterhalb der Zersetzungstemperaturen der typischerweise verwendeten, verdampfbaren Substanzen, so dass es auch nicht zu einer sog. „Verkokung“ des Verdampfers durch Zersetzungsprodukte kommt, womit auch nicht mit einer Freisetzung entsprechende Zersetzungsprodukte zu rechnen ist. Dadurch wird die Lebensdauer des Verdampfers erhöht. Durch die geringere benötigte Heizleistung ist der Verdampfer mit einem erfindungsgemäß beschichteten Sinterkörper zudem einem konventionellen Verdampfer in Hinblick auf die Energieeffizienz und die Lebensdauer der elektrischen Energiequelle weit überlegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2764783 A1 [0014]
US 2011/0226236 A1 [0015]
US 2014/0238424 A1 [0017]
US 2014/0238423 A1 [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 66133 [0023]

Claims

Verdampfer umfassend einen Sinterkörper sowie eine elektrisch leitfähige Beschichtung, wobei der Sinterkörper durch Glas oder Glaskeramik gebildet wird, eine offene Porosität im Bereich von 10 bis 90 % aufweist, die elektrisch leitfähige Beschichtung mit der Oberfläche des Sinterkörpers, welche durch die offenen Poren gebildet wird, verbunden ist, die elektrisch leitende Beschichtung Bestandteil einer Heizvorrichtung des Verdampfers ist, wobei die elektrisch leitfähige Beschichtung auf der Oberfläche des Sinterkörpers abgeschieden und mit der Oberfläche des Sinterkörpers verbunden ist, wobei die elektrisch leitfähige Beschichtung Poren auskleidet, welche sich im Inneren des Sinterkörpers befinden, so dass bei einer elektrischen Kontaktierung des Sinterkörpers und Beaufschlagung mit einem Strom dieser Strom zumindest teilweise durch das Innere des Sinterkörpers fließt und das Innere des Sinterkörpers erhitzt.
Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sinterkörper eine offene Porosität im Bereich 10 bis 90%, bevorzugt von 50 bis 80% aufweist.
Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die offenen Poren des Sinterkörpers eine Porengröße im Bereich von 1 µm bis 5000 µm, bevorzugt 100 bis 800 µm und besonders bevorzugt im Bereich von 200 bis 600 µm aufweisen.
Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sinterkörper zusätzlich zu den offenen Poren geschlossene Poren aufweist, wobei der Anteil der geschlossenen Poren am Gesamtvolumen der Poren bevorzugt höchstens 10% und ganz besonders bevorzugt höchstens 5% beträgt.
Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Poren des Sinterkörpers eine zumindest bimodale Porengrößenverteilung aufweisen.
Verdampfer gemäß Anspruch 5, wobei der Sinterkörper große Poren mit einer Porengröße im Bereich von 500 bis 700 µm und kleine Poren mit einer Porengröße im Bereich von 100 bis 300 µm aufweisen und/oder der Anteil der großen Poren 5 bis 95% beträgt.
Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sinterkörper aus Glas, bevorzugt aus einem Glas mit einem Alkaligehalt ≤ 11 Gew.-%, besonders bevorzugt aus einem Glas mit einem Alkaligehalt ≤ 6 Gew.-% gebildet wird.
Verdampfer gemäß Anspruch 7, wobei das Glas eine Transformationstemperatur T_g im Bereich von 300 bis 900 °C, bevorzugt 500 bis 800 °C aufweist.
Verdampfer gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, wobei das Glas ein Alumo-Borosilikatglas, bevorzugt ein Alumo-Borosilikatglas enthaltend die folgenden Bestandteile SiO₂ 50 bis 85 Gew.-% B₂O₃ 1 bis 20 Gew.-% Al₂O₃ 1 bis 17 Gew.-% ΣNa₂O + K₂0 1 bis 11 Gew.-% ΣMgO + CaO + BaO + SrO 1 bis 13 Gew.-%

ist.
Verdampfer gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, wobei der Sinterkörper einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20-300°C Sinterkörper von höchstens 20*10^-6 K^-1, vorzugsweise kleiner 11*10^-6 K^-1, besonders bevorzugt kleiner 8*10^-6 K^-1, die elektrisch leitfähige Beschichtung einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_20-300°C Beschichtung im Bereich von 1*10^-6 bis 20*10^-6 K^-1 aufweist und/oder die Differenz der beiden thermischen Ausdehnungskoeffizienten $Δ α_{20 - 300 ° C} = α_{20 - 300 ° C Beschichtung} - α_{20 - 300 ° C Sinterkörper}$
0 bis 20*10^-6 K^-1, bevorzugt 0 bis 5*10^-6 K^-1 beträgt.
Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung versehene Sinterkörper eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 0,001 bis 10⁶ S/m, bevorzugt im Bereich von 10 bis 600 S/m aufweist.
Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitfähige Beschichtung durch ein Metalloxid, bevorzugt durch ein Metalloxid aus der Gruppe bestehend aus Indiumzinnoxid (ITO), mit Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO), Fluorzinnoxid (FTO) und/oder Antimonzinnoxid (ATO) gebildet wird.
Verdampfer gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Beschichtung 1 nm bis 1000 µm, bevorzugt 200nm bis 200 µm beträgt.
Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, wobei die elektrisch leitfähige Beschichtung durch ein Metall, bevorzugt durch Silber, Gold, Platin und/oder Chrom gebildet wird.
Verdampfer gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Beschichtung 1 nm bis 1000 µm, bevorzugt 10 nm bis 100 nm beträgt
Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verdampfer Bauteil einer elektronischen Zigarette oder Bauteil eines medizinischen Inhalators ist.
Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung beaufschlagte Sinterkörper einen elektrischen Widerstand im Bereich von 0,2 bis 5 Ohm aufweist, mit einer Spannung im Bereich von 1 bis 12 V und/oder mit einer Heizleistung von 1 bis 80 W betrieben wird.
Verdampfer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung beaufschlagte Sinterkörper einen elektrischen Widerstand im Bereich von 0,2 Ohm bis 3000 Ohm aufweist, und der Verdampfer mit einer Spannung im Bereich von 110 bis 380 V und/oder mit einer Heizleistung von 10 bis 1000 W betrieben wird.
Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verdampfer eine mechanische elektrische Kontaktierung oder eine elektrische Kontaktierung durch einen elektrisch leitenden Verbinder oder eine stoffschlüssige elektrisch leitende Verbindung, bevorzugt eine Lötverbindung, aufweist.
Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitfähige Beschichtung neben der elektrisch leitfähigen Komponente zumindest eine weitere, bevorzugt antimikrobielle und/oder antibakterielle Komponente, besonders bevorzugt Silber, ZnO und/oder TiO₂, aufweist.
Verwendung eines Verdampfers gemäß einem der vorstehenden Ansprüche als Bauteil in einer elektronischen Zigarette, einem medizinischen Inhalator, einem Duftspender oder einem Raumbefeuchter.
Verfahren zur Herstellung eines Verdampfers, insbesondere eines Verdampfers gemäß Anspruch 1 umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellung eines Sinterkörpers aus Glas, Keramik oder Glaskeramik mit einer offenen Porosität im Bereich von 10 bis 90 % und b) Beschichtung der durch die offenen Poren gebildeten Oberfläche des Sinterkörpers inklusive der Oberfläche von Poren im Inneren des Sinterkörpers mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei in Schritt a) ein Sinterkörper aus Glas, bevorzugt ein Sinterkörper aus Glas mit einem Alkaligehalt < 11 Gew.-%, besonders bevorzugt ein Sinterkörper aus Alumo-Borosilikatglas bereit gestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 22 bis 23, wobei in Schritt b) die elektrisch leitende Schicht durch Kondensation oder Ausscheidung von Feststoff aus einer Dispersion, Kondensation oder Ausscheidung von Feststoff aus einer Lösung, Kondensation oder Ausscheidung von Feststoff aus der Gasphase oder durch ein galvanisches Verfahren auf der gesamten durch die Oberfläche der offenen Poren gebildeten Oberfläche des Sinterkörpers abgeschieden wird.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die in Schritt b) abgeschiedene elektrisch leitfähige Beschichtung durch ein Metalloxid, bevorzugt ein Metalloxid ausgewählt aus der Gruppe Metalloxid aus der Gruppe bestehend aus Indiumzinnoxid (ITO), mit Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO), Fluorzinnoxid (FTO) und/oder Antimonzinnoxid (ATO), besonders bevorzugt durch ITO gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 25 wobei das Metalloxid in Schritt b) durch Kondensation oder Ausscheidung aus einer Lösung oder Dispersion, bevorzugt aus einer Dispersion abgeschieden wird.
Verfahren gemäß Anspruch 26, wobei das Metalloxid durch ein Tauchverfahren, bevorzugt durch ein Tauchverfahren umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte a2) Bereitstellung des Sinterkörpers b2) Bereitstellung einer Dispersion oder Lösung des Metalloxids c2) Eintauchen des Sinterkörpers in die in Schritt c2) bereit gestellte Dispersion für eine vordefinierte Tauchzeit t_Tauch und d2) Einbrennen der durch die Schritt c2) erhaltenen Schicht für eine Zeitdauer t_Einbrand bei einer vordefinierten Einbrandtemperatur T_Einbrand
Verfahren gemäß Anspruch 27, wobei in Schritt d2) eine Einbrandtemperatur T_Einbrand im Bereich von 60 bis 1000 °C, bevorzugt 300 bis 900°C gewählt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 27 oder 28, wobei das Einbrennen der elektrisch leitfähigen Beschichtung unter Inertgas, unter Vakuum oder unter reduzierender Atmosphäre erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 27 bis 29, wobei die Schichtdicke der abgeschiedenen elektrisch leitfähigen Beschichtung 1 nm bis 800 pm, bevorzugt 200 nm bis 200 µm, besonders bevorzugt 200 nm bis 10 µm beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 27 bis 30, wobei der Feststoffanteil der in Schritt c2) bereit gestellten Dispersion 1 bis 50 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 35 Gew.-% beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 27 bis 31, wobei die Schritte c2) und/oder d2) mehrfach, bevorzugt 2 bis 3 mal erfolgen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 23 bis 27, wobei in Schritt b) abgeschiedene elektrisch leitfähige Beschichtung durch ein Metall, bevorzugt durch Silber, Gold, Platin und/oder Chrom gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei das Metall elektrolytisch aus einer Lösung oder Dispersion oder galvanisch abgeschieden wird.
Verdampferkopf mit einem Sinterkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Gehäuse, sowie elektrischen Kontakten zum Anschluss des Sinterkörpers.