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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfungsvorrichtung für einen elektronischen Inhalator, mit einem Verdampfer, der ein wärmeleitendes Substrat aufweist, wobei sich eine Mehrzahl von durchgehenden Kanälen durch das Substrat von einer Einlassseite zu einer Auslassseite des Substrats erstreckt, und einem elektrischen Widerstands-Heizelement. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verdampfungsvorrichtung.
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Elektronische Zigaretten verwenden üblicherweise einen resistiven Heizer, um ein mit Liquid getränktes Dochtmaterial zu erhitzen. Dabei verdampft Liquid sowohl an der inneren Oberfläche des Dochtmaterials als auch direkt auf der Heizeroberfläche, wobei überschlägige Berechnungen zeigen, dass ein Großteil des Dampfes im Dochtmaterial erzeugt wird.
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In Docht-Wendel-Systemen kann der Heizdraht aufgrund lokal variierender Anbindung an das Dochtmaterial, und lokal und zeitlich veränderlicher Benetzung mit Liquid, Zonen stark unterschiedlicher Temperatur aufweisen. Insbesondere der Effekt sogenannter Hot-Spots, also der sich selbst verstärkenden lokalen Überhitzung, stellt ein Problem dar, insbesondere deshalb, weil die Schadstoffentstehung stark mit der Temperatur ansteigt.
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Es ist bekannt, statt einer Drahtwendel eine gitterförmige Anordnung von Heizdrähten (sog. Mesh) zu verwenden. Dies hat im Wesentlichen zwei Vorteile. Erstens ist der Kontakt zum Dochtmaterial flächig und somit definierter und zweitens verringert die zusätzliche Wärmeleitung durch die Querdrähte die Bildung und/oder Ausprägung von Hot-Spots. In der praktischen Anwendung bestehen die Gitterdrähte jedoch aus Metall, sodass sich Spuren dieses Metalls im Dampf lösen können.
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Ein anderer Ansatz besteht darin, einen Metallheizer auf eine poröse Keramik als Dochtmaterial aufzubringen. Der Nachteil dieses Ansatzes liegt darin, dass die Kontaktfläche zwischen Heizer und Keramik zwar sehr definiert, aber auch sehr gering ist. Somit wird eine hohe Übertemperatur am Heizer benötigt, um genügend Wärme an die Keramik zu übertragen wird. Diese Übertemperatur führt wiederum zu erhöhter Schadstoffbildung. Möchte man dies vermeiden, ist dies nur auf Kosten der thermischen Trägheit möglich und würde das Dampfverhalten direkt und nachteilig beeinflussen.
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Der Volumenheizer gemäß
WO 2018/083007 A1 verwendet anstelle eines Gitters eine deutlich massivere Platte aus Silizium. In diese Platte sind zum Dampfaustritt Löcher strukturiert. Die dicke Platte sorgt dafür, dass sich Temperaturunterschiede extrem schnell ausgleichen, sodass Hot-Spots nicht entstehen können. Zudem ist die Kontaktfläche extrem eben und nur durch kleine Löcher unterbrochen, sodass der thermische Kontakt deutlich besser als bei einer gitterartigen Anordnung ist.
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Diesen Vorteilen des Volumenheizers steht als Nachteil im Wesentlichen ein Kostenproblem gegenüber. Der Widerstand des Heizers muss extrem genau und reproduzierbar eingestellt werden. Da der gesamte Siliziumchip als Heizwiderstand wirkt, muss der spezifische Widerstand des Wafermaterials über eine genaue Dotierstoffkonzentration eingestellt werden. Dies ist eine technologische Herausforderung, welche zu hohen Materialkosten führt. Weiterhin ist der lineare Temperaturkoeffizient des Wafermaterials relativ gering. Die Widerstandszunahme wird jedoch ausgewertet, um die Heizertemperatur zu messen. Die Messempfindlichkeit ist somit gering. Ein Material mit höherem Widerstandskoeffizienten wäre demnach vorteilhaft, um einen höhere Messempfindlichkeit zu erreichen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Heizer zu entwickeln, der günstiger herzustellen ist als der zuvor beschriebene Volumenheizer, ohne dessen Vorteile zu verlieren.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Erfindungsgemäß ist das Widerstands-Heizelement an einer Seite des Substrats angeordnet, besteht aus einem Material höherer elektrischer Leitfähigkeit als das Material des Substrats und weist mit den Kanälen des Substrats kommunizierende Durchlassöffnungen auf. Die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung zeichnet sich durch eine funktionelle Trennung von Heizelement und Substrat aus. Das Substrat hat dabei die Funktion eines Wärmeverteilkörpers oder einer Wärmeverteilplatte. Der Vorteil dieser funktionellen Aufteilung ist, dass Material und Abmessungen des Heizelements und des Substrats jeweils spezifisch für die entsprechende Funktion (Widerstandsheizung bzw. Wärmeverteilung) gewählt und angepasst sein können.
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Vorzugsweise ist das Widerstands-Heizelement an der Auslassseite des Substrats angeordnet. Eine Anordnung an der Einlassseite ist ebenfalls möglich. In diesem Fall kann das Widerstands-Heizelement beispielsweise über Löten oder Sintern elektrisch kontaktiert werden.
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Vorzugsweise ist der Temperaturkoeffizient des Heizelements größer ist als der Temperaturkoeffizient des Substrats. Dieser Vorteil macht sich besonders bei einer Messchaltung zur Bestimmung der Temperatur des Heizelements durch Widerstandsmessung des Heizelements bemerkbar, weil die Messempfindlichkeit der Messschaltung signifikant erhöht wird. Mit dem besprochenen Merkmal wird also die Messempfindlichkeit einer ggf. vorhandenen Temperaturmessschaltung erhöht.
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Für das Heizelement ist vorteilhaft ein Material mit geeigneter Leitfähigkeit, geeignetem Temperaturkoeffizienten und geeigneter Korrosionsbeständigkeit vorgesehen. Besonders geeignet sind Gold, Nickel und/oder Platin.
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Das Substrat besteht vorteilhaft aus Silizium, oder enthält Silizium insbesondere als Hauptbestandteil. Silizium als Substratmaterial hat den Vorteil, dass es mit Methoden der Mikrosystemtechnik bearbeitet und insbesondere die Kanäle mit bewährter Technologie in das Substrat eingebracht werden können, was die Massenfertigung der Verdampfungsvorrichtung begünstigt.
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Vorzugsweise ist die Dicke des Substrats größer als die Dicke des Heizelements, was insgesamt zur Kostensenkung beiträgt. Denn das Heizelement, das in der Regel aus einem teureren Material besteht als das Substrat, kann eine vergleichsweise geringe Dicke aufweisen, ohne dass dadurch die Heizfunktion beeinträchtigt wird. Die Dicke des Heizelements beträgt vorteilhaft weniger als 1 µm. Die Dicke des Heizelements ist vorteilhaft um mindestens einen Faktor 10 geringer ist als die Dicke des Substrats.
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Je nach Leitfähigkeit des Heizelements und gewünschtem Heizwiderstand kann das Heizelement beispielsweise in einer Ausführungsform mäanderförmig strukturiert, oder in einer anderen Ausführungsform vollflächig ausgelegt sein. Der elektrische Widerstand kann zudem über die Schichtdicke des Heizelements eingestellt werden.
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Bevorzugt ist an einer dem Heizelement abgewandten Seite des Substrats ein Dochtelement angeordnet. Dies führt zu einer besonders bevorzugten funktionellen Dreiteilung: Erwärmung (Heizelement) - Wärmeverteilung (Substrat) - kapillare Liquidförderung (Dochtelement) der Verdampfervorrichtung. Das Dochtmaterial kann vorteilhaft aus Glasfaservlies, poröser Keramik, Metallschaum, einem offen-porösen Material oder einem anderen geeigneten, kapillar fördernden Material bestehen.
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Vorzugsweise kann auf einer dem Heizelement zugewandten Oberfläche des Substrats eine elektrische Isolationsschicht angeordnet sein, um die funktionale Trennung der Isolationsschicht insbesondere von einem leitenden Substrat zu verbessern. Die Isolationsschicht ist bevorzugt von einer Passivierung des Substrats gebildet, so dass ein aufwändiges Auftragen der Isolationsschicht auf das Substrat entfallen kann.
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Vorzugsweise kann zwischen dem Heizelement und dem Substrat bzw. der Isolationsschicht eine insbesondere metallische Haftschicht vorgesehen sein, um die Haftung des Heizelements auf dem Substrat zu verbessern.
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Vorzugsweise ist auf einer Oberfläche des Heizelements eine Isolierung, beispielsweise aus Siliziumoxid, Siliziumcarbid und/oder Siliziumnitrid vorgesehen, um eine metallfreie Oberfläche zu erzeugen.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst von einem Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Verdampfungsvorrichtung, wobei das Heizelement erfindungsgemäß durch Aufdampfen, Sputtern oder Siebdruck auf das Substrat aufgebracht wird. Die Kanäle des Substrats können vorteilhaft mittels bewährter Mikrosystemtechnik, insbesondere Lithografie und Trockenätzen, hergestellt werden. Die Erfindung ist nicht auf Reinraumfertigung des Heizelements beschränkt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Ansicht eines elektronischen Inhalators;
- 2 eine Querschnittsansicht eines Schichtaufbaus einer erfindungsgemäßen Verdampfungsvorrichtung; und
- 3 eine Draufsicht auf die Auslassseite mit Heizelement einer erfindungsgemäßen Verdampfungsvorrichtung.
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Der Inhalator 10, hier ein elektronisches Zigarettenprodukt, umfasst ein Gehäuse 11, in dem ein Luftkanal 30 zwischen mindestens einer Lufteinlassöffnung 31, und einer Luftauslassöffnung 24 an einem Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 vorgesehen ist. Das Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 bezeichnet dabei das Ende, an dem der Konsument zwecks Inhalation zieht und dadurch das Zigarettenprodukt 10 mit einem Unterdruck beaufschlagt und eine Luftströmung 34 in dem Luftkanal 30 erzeugt.
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Der Inhalator 10 besteht vorteilhaft aus einem Basisteil 16 und einer Verbrauchseinheit 17, die eine Verdampfungsvorrichtung 20 und einen Flüssigkeitsspeicher 18 umfasst und insbesondere in Form einer auswechselbaren Kartusche ausgebildet ist. Die durch die Einlassöffnung 31 angesaugte Luft wird in dem Luftkanal 30 zu der, durch die, oder an der Verdampfungsvorrichtung 20 entlang geleitet. Die Verdampfungsvorrichtung 20 ist mit dem Flüssigkeitsspeicher 18 verbunden oder verbindbar, in dem mindestens eine Flüssigkeit 50 gespeichert ist. Die Verdampfungsvorrichtung 20 verdampft Flüssigkeit 50, die ihr aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 zugeführt wird, und gibt die verdampfte Flüssigkeit als Aerosol/Dampf an einer Auslassseite 65 in den Luftstrom 34 zu. Ein vorteilhaftes Volumen des Flüssigkeitsspeichers 18 liegt im Bereich zwischen 0,1 ml und 5 ml, vorzugsweise zwischen 0,5 ml und 3 ml, weiter vorzugsweise zwischen 0,7 ml und 2 ml oder 1,5 ml.
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Die elektronische Zigarette 10 umfasst des Weiteren einen elektrischen Energiespeicher 14 und eine elektronische Steuerungsvorrichtung 15. Der Energiespeicher 14 ist in der Regel in dem Basisteil 16 angeordnet und kann insbesondere eine elektrochemische Einweg-Batterie oder ein wiederaufladbarer elektrochemischer Akku, beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku, sein. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist der Energiespeicher 14 in einem dem Mundende 32 abgewandten Teil des Inhalators 10 angeordnet. Die Verbrauchseinheit 17 ist vorteilhaft zwischen dem Energiespeicher 14 und dem Mundende 32 angeordnet. Die elektronische Steuerungsvorrichtung 15 umfasst mindestens eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung, insbesondere einen Mikroprozessor und/oder Microcontroller, in dem Basisteil 16 (wie in 1 gezeigt) und/oder in der Verbrauchseinheit 17.
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In dem Gehäuse 11 ist vorteilhaft ein Sensor, beispielsweise ein Drucksensor oder ein Druck- oder Strömungsschalter, angeordnet, wobei die Steuerungsvorrichtung 15 auf der Grundlage eines von dem Sensor ausgegebenen Sensorsignals feststellen kann, dass ein Konsument am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 zieht, um zu inhalieren. In diesem Fall steuert die Steuerungsvorrichtung 15 die Verdampfungsvorrichtung 20 an, um Flüssigkeit 50 aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 als Aerosol/Dampf in den Luftstrom 34 zuzugeben.
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Die in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicherte, zu dosierende Flüssigkeit 50 ist beispielsweise eine Mischung umfassend einen oder mehrere der folgenden Bestandteile: 1,2-Propylenglykol, Glycerin, Wasser, mindestens ein Aroma (Flavour), optional ein Wirkstoff, beispielsweise Nikotin.
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Die Verdampfungsvorrichtung 20 umfasst mindesten einen Verdampfer 60 mit mindestens einem Widerstands-Heizelement 21 (siehe 2) und ein Dochtelement 12 zum Zuführen von Liquid 50 aus dem Flüssigkeitsreservoir 18 zu dem Verdampfer 60. Aufgrund des Ohmschen Widerstands führt ein Stromfluss durch das elektrisch leitende Heizelement 21 zu einer Erhitzung desselben und daher zu einer Verdampfung von mit dem Heizelement 21 in Kontakt stehender Flüssigkeit. Auf diese Weise erzeugter Dampf/Aerosol entweicht zur Auslassseite 65 aus dem Verdampfer 60 und wird der Luftströmung 34 beigemischt, siehe 1. Die Verdampfungstemperatur liegt abhängig vom zu verdampfenden Liquid vorzugsweise im Bereich zwischen 100°C und 450°C, weiter bevorzugt zwischen 150°C und 350°C, noch weiter bevorzugt zwischen 190°C und 290°C.
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Die Verbrauchseinheit 17 und/oder das Basisteil 16 umfasst vorteilhaft einen nichtflüchtigen Datenspeicher 35 zum Speichern von die Verbrauchseinheit 17 betreffender Information bzw. Parameter. Der Datenspeicher 35 kann Teil der elektronischen Steuerungsvorrichtung 15 sein. In dem Datenspeicher ist vorteilhaft Information zur Zusammensetzung der in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicherten Flüssigkeit, Information zum Prozessprofil, insbesondere Leistungs-/Temperatursteuerung hinterlegt; Daten zur Zustandsüberwachung bzw. Systemprüfung, beispielsweise Dichtigkeitsprüfung; Daten betreffend Kopierschutz und Fälschungssicherheit, eine ID zur eindeutigen Kennzeichnung der Verbrauchseinheit 17, Seriennummer, Herstelldatum und/oder Ablaufdatum, und/oder Zugzahl (Anzahl der Inhalationszüge durch den Konsumenten) bzw. der Nutzungszeit gespeichert. Der Datenspeicher ist vorteilhaft elektrisch mit der Steuereinrichtung 15 verbunden oder verbindbar.
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Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfungsvorrichtung 20 ist in den 2 und 3 gezeigt. Der Verdampfer 60 umfasst ein elektrisch leitendes, insbesondere metallisches Widerstands-Heizelement 21 und ein wärmeleitendes Substrat 25, die vorteilhaft ein Schichtsystem bilden. Das Substrat 25 ist vorteilhaft ein massiver Körper und weist eine Mehrzahl von Kanälen 26 auf, die sich von einer Einlassseite 61 des Substrats 25 durchgängig bis zu einer Auslassseite 64 des Substrats 25 erstrecken, um Flüssigkeitstransport von der Einlassseite 61 zu der Auslassseite 64 zu ermöglichen. Optionale Schichten 22, 23 (diese werden später erläutert) des Verdampfers 60 zwischen dem Substrat 25 und dem Heizelement 21 weisen zweckmäßigerweise entsprechende Durchgangsöffnungen auf.
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Das Substrat 25 besteht vorteilhaft aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit. Besonders vorteilhaft besteht das Substrat 25 aus Silizium, oder Silizium bildet den Hauptbestandteil des Substrats 25. Silizium als Substratmaterial hat den Vorteil, dass es mit Methoden der Mikrosystemtechnik bearbeitet und insbesondere die Kanäle 26 in das Substrat 25 eingebracht werden können. Neben einkristallinem Silizium kann auch deutlich günstigeres polykristallines Silizium verwendet werden. Es kann dotiertes, vorzugsweise gering dotiertes, oder undotiertes Silizium verwendet werden.
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Das Substrat 25 ist vorzugsweise auf der Grundlage von MEMS-Technologie, insbesondere aus Silizium, gefertigt und daher vorteilhaft ein Mikro-Elektro-Mechanisches System. Das Substrat 25 kann vorteilhaft aus Teilstücken eines Wafers hergestellt sein. Die Dicke des Substrats 25, und somit die Länge der Kanäle 26, entspricht vorteilhaft der Dicke üblicher Wafer und beträgt vorzugsweise höchstens 1000 µm, weiter vorzugsweise höchstens 750 µm, noch weiter vorzugsweise höchstens 500 µm. Die Dicke des Substrats 25, und somit die Länge der Kanäle 26, beträgt vorzugsweise mindestens 100 µm, weiter vorzugsweise mindestens 200 µm und noch weiter vorzugsweise mindestens 300 µm.
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Das Widerstands-Heizelement 21 ist vorteilhaft in Form einer Heizschicht an der Auslassseite 64 des Substrats 25 angeordnet und bedeckt das Substrat 25 an der Auslassseite 64 vollständig oder mindestens im Bereich der Auslassöffnungen der Kanäle 26. Das Widerstands-Heizelement 21 ist metallisch und besteht vorteilhaft aus einem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit, hohem Temperaturkoeffizienten und/oder hoher Korrosionsbeständigkeit. Bevorzugt umfasst das Material Gold, Nickel und/oder Platin einschließlich deren Legierungen. Vorteilhaft ist Gold, Nickel oder Platin Hauptbestandteil des Materials des Widerstands-Heizelements 21. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besteht das Widerstands-Heizelement 21 aus Gold. Das Widerstandsheizelement 21 weist Durchlassöffnungen 27 auf, die mit den Kanälen 26 des Substrats 25 kommunizieren, d.h. flüssigkeitsleitend verbunden sind, damit Flüssigkeit von der Einlassseite 61 zur Auslassseite 65 des Verdampfers 60 fließen kann.
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Das Widerstands-Heizelement 21 weist eine typische Dicke im Bereich zwischen 50 nm und 500 nm auf und wird vorteilhaft durch Aufdampfen, Sputtern oder metallischem Siebdruck auf das Substrat 25 aufgebracht. Ein Heizelement 21 in Form einer Beschichtung des Substrats 25 mit ca. 300 nm Platin wäre beispielsweise geeignet, bei einer Heizerfläche von 3 mm x 2 mm einen Widerstand von ca. 1 Ω zu erzielen. Die Dicke des Widerstands-Heizelements 21 ist vorteilhaft um mindestens einen Faktor 10, weiter vorteilhaft um mindestens einen Faktor 100 geringer als die Dicke des Substrats 25.
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Je nach Leitfähigkeit des Heizelements 21 und gewünschtem Heizwiderstand kann es vorteilhaft sein, das Heizelement 21 mäanderförmig zu strukturieren, wie in den 2 und 3 gezeigt. In einer anderen Ausführungsform kann das Heizelement 21 vollflächig (bis auf die Durchgangsöffnungen 27) ausgelegt sein.
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Die elektrische Leitfähigkeit des Widerstands-Heizelements 21 ist höher, vorteilhaft um mindestens einen Faktor 10, weiter vorteilhaft um mindestens einen Faktor 100, noch weiter vorteilhaft um mindestens einen Faktor 1000, als die elektrische Leitfähigkeit des Substrats 25. Beispielsweise beträgt die spezifische elektrische Leitfähigkeit (bei 0°C) von Gold (Heizelement 21) 48,8 MS/m und von Silizium (Substrat 25) weniger als 0,01 MS/m. Entsprechend ist der elektrische Widerstand des Substrats 25 um mindestens einen Faktor 10 (oder 100 oder 1000) höher als der elektrische Widerstand des Widerstands-Heizelements 21.
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Um eine metallfreie Oberfläche des Widerstands-Heizelements 21 zu erreichen, kann dieses beispielsweise mit einer Siliziumdioxidschicht passiviert sein.
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An der Einlassseite 61 des Substrats 25 ist vorteilhaft ein Dochtelement 12 angeordnet, das mittels Kapillarkraft Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 zu dem Verdampfer 60 zuführen und im Falle der Verdampfung nachführen kann. Das Dochtelement 12 ist vorteilhaft kontaktierend an die Einlassseite 61 des Verdampfers 60 bzw. des Substrats 25 angebunden und bedeckt die Einlassseite 61 des Verdampfers 60 bzw. des Substrats 25 vorteilhaft vollständig oder mindestens im Bereich der Einlassöffnungen der Kanäle 26. Als Dochtmaterial dient besonders vorteilhaft Glasfaservlies, aber auch eine poröse Keramik, Metallschaum oder ähnliches kann als Material für das Dochtelement 25 verwendet werden.
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Zum Verdampfen von Flüssigkeit in dem Verdampfer 60 wird eine Heizspannung Uh an das Widerstands-Heizelement 21 angelegt. Zu diesem Zweck sind an dem Heizelement 21 elektrische Kontakte 28 vorgesehen, die über elektrische Leitungen 29 mit der Heizspannungsquelle Uh verbunden sind, siehe 3. Aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit des Widerstands-Heizelements 21 führt die Heizspannung Uh zu einer schnellen und effektiven Erwärmung des Widerstands-Heizelements 21, wobei die dafür benötigte elektrische Heizenergie aus dem Energiespeicher 14 stammt. Die Heizwärme aufgrund der flächigen Kontaktierung zwischen dem Heizelement 21 und dem Substrat 25 schnell in das Substrat 25 übertragen. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Substrats 25 kann sich die Heizwärme schnell in dem Substrat verteilen. Im Ergebnis kann der gesamte Verdampfer 60 einschließlich Substrat 25 Flüssigkeit verdampfen, so dass der Verdampfer 60 einen ausgezeichneten reproduzierbaren Wirkungsgrad und eine sehr hohe Dampfrate aufweist.
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Nach dem zuvor Gesagten zeichnet die Verdampfungsvorrichtung 20 durch eine funktionelle Trennung (hier Dreiteilung) mit Heizelement 21, Substrat 25 und vorteilhaft Dochtelement 12 aus. Das Substrat 25 hat dabei die Funktion eines Wärmeverteilkörpers oder einer Wärmeverteilplatte. Der Vorteil dieser funktionellen Aufteilung ist, dass Material und Abmessungen der Komponenten 21, 25 jeweils spezifisch für die entsprechende Funktion (Widerstandsheizung bzw. Wärmeverteilung) gewählt und angepasst sein können.
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Die Verdampfungsvorrichtung 20 kann vorteilhaft eine Messschaltung 19 zur Bestimmung der Temperatur des Heizelements 21 durch Widerstandsmessung des Heizelements 21 aufweisen. Der Temperaturkoeffizient des Heizelements 21 ist vorteilhaft größer, insbesondere um mindestens einen Faktor zwei, weiter vorteilhaft um mindestens einen Faktor drei, als derjenige des Substrats 25. Dies führt zu einer wesentlichen Erhöhung der Messempfindlichkeit der Messschaltung 19. Beispielsweise beträgt der Temperaturkoeffizient (bei 0°C) von Gold (Heizelement 21) 0,0037/K, der von Silizium kann je nach Temperaturbereich und Dotierung stark unterschiedliche Faktoren aufweisen und in manchen Ausführungsformen etwa 0,001/K betragen.
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Das Heizelement 21 kann über eine metallische Haftschicht 22 an das Substrat angebunden sein, beispielsweise aus Ti oder einer Ti-Legierung. Wenn eine ausreichende Haftung des Heizelements 21 ohne Haftschicht 22 erreicht werden kann, ist diese entbehrlich.
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Wenn das Substrat 25 elektrisch leitend ist, kann zwischen dem Substrat 25 und dem Heizelement 21 (ggf. der Haftschicht 22) eine elektrische Isolationsschicht 23 vorgesehen sein. Die Isolationsschicht 23 kann vorteilhaft eine Passivierungsschicht auf dem Substrat 25 sein. Beispielsweise bei einer höheren Dotierung eines Silizium-Substrats 25 wäre eine Passivierungsschicht 23 aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich zwischen 50 nm und 500 nm, vorteilhaft.
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Wenn das Substrat 25 elektrisch nicht-leitend ist oder nur eine sehr geringe Leitfähigkeit aufweist, kann eine elektrische Isolationsschicht 23 entbehrlich sein. Beispielsweise bei einer geringen Dotierung oder einem undotierten Silizium-Substrat 25 ist die Leitfähigkeit des Siliziums gegenüber der des Heizelements 21 vernachlässigbar, sodass keine elektrische Isolationsschicht 23 erforderlich ist.
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Der mittlere Durchmesser der Kanäle 26 des Substrats 25 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 5 µm und 200 µm, weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 30 µm und 150 µm, noch weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 50 µm und 100 µm. Aufgrund dieser Abmessungen wird vorteilhaft eine Kapillarwirkung erzeugt, so dass an der Einlassseite 61 in einen Kanal 26 eindringende Flüssigkeit durch den Kanal 26 nach oben steigt, bis der Kanal 26 mit Flüssigkeit gefüllt ist. Die Anzahl der Kanäle 26 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen vier und 1000. Die Kanäle 26 sind vorteilhaft in Form eines Arrays angeordnet. Das Array kann in Form einer Matrix mit s Spalten und z Zeilen ausgebildet sein, wobei s vorteilhaft im Bereich zwischen 2 und 50 und weiter vorteilhaft im Bereich zwischen 3 und 30 und/oder z vorteilhaft im Bereich zwischen 2 und 50 und weiter vorteilhaft im Bereich zwischen 3 und 30 liegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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