DE102020130559A1 - Elektrisch leitfähiger poröser Sinterkörper - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer umfassend einen porösen Sinterkörper, wobei der Sinterkörper durch ein Komposit aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Material und zumindest einem dielektrischen Material gebildet wird. Der Sinterkörper weist eine offene Porosität im Bereich von 10 bis 90 % auf und hat eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 105S/m, wobei der Anteil an elektrisch leitfähigem Material im Sinterkörper maximal 90 Gew.-% beträgt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Sinterkörpers sowie die Verwendung eines porösen Sinterkörpers in einem Verdampfer.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft im Allgemeinen einen elektrisch leitfähigen porösen Sinterkörper. Im Speziellen betrifft die Erfindung eine Verdampfereinheit umfassend einen Flüssigkeitsspeicher bzw. Flüssigkeitspuffer 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 verwendet werden. Bei den Evaporatoren kann es sich hierbei um Vorrichtungen zur Bereitstellung, Abgabe und/oder Verbreitung von Substanzen in eine Gasphase, beispielsweise in die Raumluft, in Form von Gasen, Dämpfen und/oder Aerosolen handeln. Als Substanzen können beispielsweise Duftstoffe oder Wirkstoffe, insbesondere Insektenrepellents, verwendet werden.
  • Elektronische Zigaretten, im Folgenden auch als E- Zigaretten bezeichnet, oder ähnliche Vorrichtungen wie beispielsweise elektrische Pfeifen oder Shishas, 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 einer gasförmigen oder 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 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 bzw. Flüssigkeitspuffer muss daher eine hohe Aufnahmefähigkeit und eine hohe Adsorptionswirkung aufweisen, gleichzeitig muss die Flüssigkeit bei hohen Temperaturen schnell abgegeben bzw. transportiert werden.
  • Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Materialien zur Verwendung als Flüssigkeitsspeicher oder Docht bekannt. So können Flüssigkeitsspeicher oder Docht durch ein poröses oder faseriges, organisches Polymer gebildet werden. Entsprechende Bauteile können zwar recht einfach hergestellt werden, jedoch besteht hier die Gefahr, dass beispielsweise durch ein Trockenlaufen des Bauteils das polymere Material zu hoch erhitzt wird und sich zersetzt. Dies wirkt sich nicht nur nachteilig auf die Lebensdauer des Flüssigkeitsspeichers bzw. Dochts und somit 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 auch 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 weiterhin gewährleistet. 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.
  • In der DE 10 2017 123 000 werden daher Verdampfer umfassend einen Sinterkörper aus Glas oder Glaskeramik, dessen gesamte Oberfläche eine leitfähige Beschichtung aufweist. Somit findet, anders als bei Sinterkörpern, die nur auf der äußeren Oberfläche eine entsprechende Beschichtung aufweisen, eine Verdampfung nicht nur auf der äußeren Oberfläche, sondern auch im Inneren des Sinterkörpers statt. Zur Herstellung entsprechender Verdampfer wird zunächst ein poröser Sinterkörper aus Glas oder Glaskeramik erzeugt, welcher in einem nachfolgenden Schritt mit einer relativ dicken, leitfähigen Beschichtung, beispielsweise in Form einer ITO-Beschichtung versehen wird. Nachteilig ist jedoch, dass der Herstellungsprozess durch den hohen Materialbedarf an leitfähigen Material wie beispielsweise ITO kostenintensiv wird. Darüber hinaus werden durch das nachträgliche Aufbringen einer dicken Beschichtung die Eigenschaften des Sinterkörpers ggf. nachteilig verändert. Insbesondere können kleine Poren im Sinterkörper durch die Beschichtung verschlossen und somit die aktive Oberfläche des Sinterkörpers verringert werden.
  • Es sind auch sogenannte Vernebler bekannt, die Flüssigkeiten mittels Ultraschall zerstäuben können, bspw. mittels piezoelektrischer Elemente. Der so erzeugte Dampf bzw. besser Nebel oder Dunst ist allerdings kalt und als solcher insbesondere in der Anwendung elektrischer Zigaretten und/oder medizinischer Geräte meist oder oft nicht erwünscht.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen 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. So 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 elektrisch leitfähigen 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 elektrisch leitfähigen porösen Sinterkörper, welcher als Komposit aus zumindest einem elektrisch leitendem Material und zumindest einem dielektrischen Material ausgebildet ist.
  • 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 elektrische Leitfähigkeit des Verdampfers 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 weist eine offene Porosität im Bereich von 10 bis 90 %, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 80% bezogen auf das Volumen des Sinterkörpers auf. Hierdurch weist der Sinterkörper eine große innere Oberfläche zur Desorption bei einer gleichzeitigen hohen mechanischen Stabilität auf und ermöglicht einen guten Nachfluss der zu verdampfenden Flüßigkeit bzw. des zu verdampfenden Mediums.
  • 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. 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 und Abgabe 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, die prozessbedingt auftreten können.
  • Als dielektrisches Material enthält der Sinterkörper ein Material ausgewählt ausder Gruppe Glas, Glaskeramik, Keramik und deren Kombinationen. Dielektrisches Material und elektrische leitfähiges Material bilden hierbei das Kompositmaterial des Sinterkörpers.
  • Der Anteil an dielektrischem Material beträgt zumindest 10 Vol-%, wobei eine Ausführungsform der Erfindung einen Anteil an dielektrischem Material am Kompositmaterial im Bereich von 30 bis 95 Vol.-% vorsieht. Der Anteil an elektrisch leitfähigem Material am Kompositmaterial beträgt höchstens 90 Vol.-%. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Anteil an elektrisch leitfähigem Material am Kompositmaterial 5 bis 70 Vol.-%, vorzugsweise 10 bis 60 Vol.-%, meist bevorzugt 15 bis 40 Vol.-%. Die oben aufgeführten Anteile beziehen sich hierbei auf das Kompositmaterial des Sinterkörpers, d.h. das Porenvolumen bzw. der Volumenanteil der Poren im Sinterkörper wird hierbei nicht berücksichtigt.
  • Überraschenderweise weist der erfindungsgemäße Sinterkörper selbst bei relativ geringen Anteilen an elektrisch leifähigem Material eine bereits gute elektrische Leitfähigkeit auf. So weist gemäß einer Weiterbildung der Sinterkörper einen Gehalt von maximal 40 Vol.-% oder sogar höchstens 30 Vol.-% oder sogar höchstens 20 Vol% des leitfähigen Materials auf. Dies ermöglicht einen Sinterkörper mit einer einstellbaren elektrischen Leitfähigkeit im erfindungsgemäßen Bereich mit einer gleichzeitig hohen mechanischen Festigkeit. Der jeweils eingesetzte Gehalt an elektrisch leitfähigen Partikeln ist hierbei vom jeweiligen Material der elektrisch leitfähigen Partikel, insbesondere von deren elektrischer Leitfähigkeit sowie von der Form der verwendeten Partikel abhängig. Als besonders vorteilhaft haben sich hierbei Sinterkörper herausgestellt, deren Anteil an elektrisch leitfähigen Partikeln bei zumindest 5 Vol.-%, bevorzugt zumindest 10 Vol.-% und besonders bevorzugt zumindest 15 Vol-% beträgt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Gehalt an elektrisch leitfähigen Partikeln im Sinterkörper 10 bis 40 Vol.-%, vorzugsweise 15 bis 25 Vol.-%.
  • Jedoch kann überraschenderweise auch bei niedrigen Gehalten an elektrisch leitfähigen Material die erfindungsgemäße elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers erreicht werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt der Anteil an elektrisch leitfähigem Material lediglich 10 bis 20 Vol.-%.
  • Abhängig vom verwendeten dielektrischen Material und dem Anteil an elektrisch leitfähigem Material im Sinterkörper zeigt dieser trotz des geringen Anteils an elektrisch leitfähigem Material eine elektrische Leitfähigkeit. Es wird vermutet, dass beim erfindungsgemäßen Sinterkörper das elektrisch leitfähige Material auf Grund seiner homogenen Verteilung im Sinterkörper auch bei relativ niedrigen Gehalten Gerüste oder dreidimensionale Netzwerke des elektrisch leitfähigen Materials im dielektrischen Material ausbilden, durch die der Stromfluss erfolgen kann.
  • Weiterhin wird vermutet, dass der Stromfluss auch durch Elektronentunneleffekte erfolgen kann. Der Anteil des Stromflusses an der gesamten elektrischen Leitfähigkeit, welcher durch diese Elektronentunneleffekte erfolgt, nimmt mit abnehmenden Gehalt der elektrisch leitfähigen Partikel im Sinterkörper zu.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der maximale Abstand zwischen zwei benachbarten elektrisch leitfähigen Partikeln weniger als 30 µm oder sogar weniger als 10 µm beträgt. Durch diesen geringen Abstand der elektrisch leitfähigen Partikel kann der Stromfluss durch Elektronentunneleffekte erfolgen. Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die elektrisch leitfähigen Partikel zumindest teilweise voneinander beabstandet. Dabei werden die elektrisch leitfähigen Partikel durch das dielektrische Material und/oder Poren voneinander isoliert. Als besonders vorteilhaft hat sich ein mittlerer Abstand zwischen benachbarten elektrisch leitfähigen Partikeln im Bereich von 1 bis 30 µm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 10 µm herausgestellt.
  • Der Gehalt an elektrisch leitfähigen Partikeln kann umso niedriger sein, je höher die elektrische Leitfähigkeit des jeweils verwendeten Materials ist. Bei einem relativ geringen Füllgrad der elektrisch leitfähigen Partikel im Sinterkörper können wiederum besonders hohe Festigkeiten erzielt werden.
  • Das elektrisch leitfähige Material liegt in partikulärer Form vor, während das dielektrische Material eine Matrix für die elektrisch leitfähigen Partikel bildet. Das Kompositmaterial des Sinterkörpers setzt sich somit aus einer dielektrischen Matrix mit darin eingebetteten, elektrisch leitfähigen Partikeln zusammen. Die elektrisch leitfähigen Partikel sind hierbei homogen im Sinterkörper verteilt. Die Verteilung der leitfähigen Partikel in einer Matrix aus dielektrischem Material stellt sicher, dass der Sinterkörper eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 105 S/m aufweist. Somit weisen die erfindungsgemäßen Sinterkörper eine deutlich geringere elektrische Leitfähigkeit auf als aus dem Stand der Technik bekannte metallische Sinterkörper bzw. entsprechende Kompositmaterialien mit höheren Metallgehalten. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers im Bereich von 10 bis 10000 S/m.
  • Die erfindungsgemäße elektrische Leitfähigkeit des Sinterköpers ermöglicht beispielsweise die Verwendung des entsprechenden Verdampfers in einer elektronischen Zigarette oder entsprechenden Vorrichtungen wie beispielsweise elektrischen Pfeifen oder Shishas. So weist der Sinterkörper gemäß einer Weiterbildung der Erfindung einen elektrischen Widerstand im Bereich von 0,05 bis 5 Ohm, bevorzugt von 0,1 bis 5 Ohm auf. In dieser Weiterbildung wird der Verdampfer mit einer Spannung im Bereich von 1 bis 12 V und/oder mit einer Heizleistung von 1 bis 500 W, insbesondere mit einer Heizleistung im Bereich von 1 bis 300 W, bevorzugt im Bereich von 1 bis 150 W betrieben. Hierbei erhitzt sich der Verdampfer durch das Anlegen eines Stroms in seinem gesamten Volumen, so dass die Desorption der im Verdampfer gespeicherten Flüssigkeit beginnt.
  • Im Unterschied dazu können Vorrichtungen gemäß einer anderen Weiterbildung 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 oder mehr vorteilhaft. Gemäß einer Ausführungsform dieser Weiterbildung handelt es sich bei der Vorrichtung um Inhalatoren für den medizinischen Bereich.
  • Anhängig von der jeweiligen Verwendung der Verdampfereiheit kann diese höhere Betriebsspannungen, insbesondere Betriebsspannungen im Bereich von >12V bis 110 V, Wiederständen von mehr als 5 Ohm und/oder Heizleistungen von mehr als 80 W aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform dieser Weiterbildung handelt es sich bei der Vorrichtung um Inhalatoren für den medizinischen Bereich. Die Verdampfervorrichtungen dieser Weiterbildung können auch zur Verdampfung in größeren Räumlichkeiten, beispielsweise als Nebelmaschine ausgebildet sein.
  • Die gesamte zugängliche Oberfläche des aus Kompositmaterial bestehenden Sinterkörpers bildet hierbei die Verdampfungsfläche. Durch die erfindungsgemäße elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers erfolgt der Stromfluss über das gesamte Körpervolumen des Sinterkörpers. Entsprechend wird die zu verdampfende Flüssigkeit auf der gesamten Oberfläche des Sinterkörpers verdampft. Somit bildet sich der Dampf nicht nur lokal auf der Mantelfläche des Sinterkörpers, sondern auch an der inneren Oberfläche des Sinterkörpers.
  • Anders als bei Verdampfern, die eine lokale Heizeinrichtung, beispielsweise eine Heizspirale oder eine elektrisch leitende Beschichtung auf den Mantelflächen des Verdampferkörpers, ist ein Kapillartransport vom Inneren des Sinterkörpers zur einer lokalen Heizeinrichtung nicht notwendig, d.h. über relativ lange Wegstrecken, nicht notwendig, da bei dem erfindungsgemäßen Verdampfer dessen gesamtes Volumen erhitzt wird. 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. Bei dem erfindungsgemäßen Verdampfer ist dagegen diese Gefahr wesentlich geringer.
  • Der relativ hohe Anteil an dielektrischem Material im Sinterkörper führt zu einer guten mechanischen Stabilität und Festigkeit des Sinterkörpers. Die Verwendung eines Sinterkörpers in Form eines Komposits, d.h. eines Sinterkörpers, bei dem dielektrisches Material und elektrische leitfähige Partikel homogen oder zumindest weitgehend homogen verteilt sind, bietet, anders als nachträglich beschichtete Sinterkörper, den Vorteil, dass Eigenschaften des Sinterkörpers, wie beispielsweise dessen Porengröße oder der Anteil an offenen Poren im Sinterkörper nicht nachteilig beeinflusst werden.
  • Für die Verwendung als elektrisch leitfähiges Material im Sinterkörper haben sich insbesondere Metalle mit hohen elektrischen Leitfähigkeiten wie Edelmetalle, Kupfer, Wolfram, Molybdän, Aluminium und entsprechende Legierungen oder Mischungen daraus, Edelstahl oder auch Materialien wie Titan, Nickel, Chrom, Eisen, Stahl, Mangan, Silizium und Graphit und entsprechende Legierungen, wie typische Heizleiterlegierung, insbesondere CuMnNi-Legierungen (z.B. Konstantan®) oder FeCrAI-Legierungen (z.B. Kanthal®) oder Mischungen daraus herausgestellt. Gemäß einer Ausführungsform wird als elektrisch leitfähiges Material ein hitzebeständiger, vorzugsweise rostfreier Edelstahl, beispielsweise des Typs 1.4828 oder 1.4404, verwendet. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält der Sinterkörper als elektrisch leitfähiges Material Edelmetalle, insbesondere Platin, Gold, Silber oder deren Legierungen oder Mischungen daraus.
  • Edelmetalle bieten neben einer hohen elektrischen Leitfähigkeit zusätzlich den Vorteil, dass sie auch bei hohen Temperaturen gegenüber den Bestandteilen des dielektrischen Materials inert oder zumindest weitgehend inert sind, also insbesondere Materialien sind, die nicht oder wenig zu Reaktionen mit dem dielektrischen Material und/oder zu Oxidbildung oder anderer chemischer Veränderung neigen. Inertheit ist damit auch ein wichtiges Kriterium für die Auswahl anderer elektrische leitfähiger Materialien und/oder deren Legierungen und/oder Mischungen, außer den Edelmetallen und/oder deren Legierungen und/oder Mischungen. Dies ist besonders vorteilhaft bei Ausführungsformen, bei denen als dielektrisches Material Gläser eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann Kohlenstoff, insbesondere in Form von Graphen, Graphit oder Nanotubes oder Nanorods, als elektrisch leitfähiges Material verwendet werden.
  • Eine Klassifizierung der elektrisch leitfähigen Materialien kann so insbesondere anhand der elektrischen Leitfähigkeit vorgenommen werden. Insbesondere wird folgende Einteilung vorgenommen:
    Klasse Beispiel elektrische Leitfähigkeit / S/µm
    A Ag, Cu, Au, Al mehr als 30
    B W, Mo, Zn, Fe, Pt, Ni 10 bis 30
    C Ti, Cr, Stahl, C, Mn, Si weniger als 10
  • Erfindungsgemäß werden elektrisch leitfähige Materialien mit einem Volumenanteil von höchstens 90 Vol% im Sinterkörper eingesetzt. Der Anteil des jeweiligen Materials im Komposit wird dabei vorzugsweise an die elektrische Leitfähigkeit des verwendeten Materials angepasst. Je nach elektrischer Leitfähigkeit des eingesetzten Materials der Klassen A, B, C oder einer Mischung daraus kann dessen notwendiger Volumenanteil variieren, um eine geforderte elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers zu erzielen.
  • Eine Variante sieht daher vor, dass das elektrisch leitfähige Material eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von mehr als 30 bis 70 S/µm aufweist. In dieser Weiterbildung werden daher als elektrisch leifähige Materialien insbesondere Silber, Kupfer, Gold und/oder Aluminium eingesetzt. Auf Grund der relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit kann der Anteil des elektrisch leitfähigen Materials im Komposit reduziert werden. Eine Ausführungsform sieht daher vor, dass der Anteil an elektrisch leitfähigem Material 5 bis 40 Vol.-%, bevorzugt 10 bis 30 Vol.-%, besonders bevorzugt 15 bis 25 Vol.-% beträgt.
  • Gemäß einer anderen Variante werden elektrisch leitfähige Materialien mit einer elektrischen Leitfähigkeit im Bereich von 10 bis 30 S/µm verwendet, insbesondere Wolfram, Molybdän, Zink, Eisen, Platin und/oder Nickel. Der Gehalt an elektrisch leitfähigem Material beträgt 10 bis 60 Vol.-%, bevorzugt 15 bis 50 Vol.-%, besonders bevorzugt 20 bis 40 Vol.-%.
  • Eine noch andere Variante sieht vor, dass ein elektrisch leitfähiges Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit im Bereich von bspw. 1 bis weniger als 10 S/µm, insbesondere Titan, Mangan, Chrom, Stahl, Silizium und/oder Kohlenstoff verwendet wird. In dieser Variante beträgt gemäß einer Ausführungsform 15 bis 90 Vol.-%, bevorzugt 20 bis 70 Vol.-%, besonders bevorzugt 25 bis 60 Vol.-%.
  • Die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers kann nicht nur durch die elektrische Leitfähigkeit des jeweils verwendeten, elektrisch leitfähigen Materials sowie dessen Gehaltes im Sinterkörper, sondern auch über die Partikelgröße der elektrisch leitfähigen Partikel sowie durch die Partikelform bzw. Partikelgeometrie beeinflusst werden. So hat sich insbesondere die Verwendung von elektrisch leitfähigen Partikeln, welche von der runden Kornform, also im Wesentlichen kugelförmigen Partikeln, abweichen, als vorteilhaft herausgestellt. Gemäß einer Ausführungsform weisen die elektrisch leitfähigen Partikel daher eine flache, plättchenförmige Form auf und werden auch als Plateletts bezeichnet. Alternativ oder zusätzlich weist das Komposit elektrisch leitfähige Partikel mit einer langkörnigen bzw. länglichen Geometrie auf. Insbesondere weisen diese Partikel eine nadelförmige Geometrie auf. Auch Mischungen aus einer oder mehreren dieser Kornformen haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Anders als beispielsweise kugelförmige Partikel können plättchenförmige oder längliche Partikel auch bei relativ geringen Füllgraden ein durchgängiges Gerüst aus elektrisch leitfähigem Material innerhalb des Sinterkörpers ausbilden, so dass der entsprechende Sinterkörper trotz eines relativ geringen Füllgrades des elektrisch leitfähigen Materials eine elektrische Leitfähigkeit im erfindungsgemäßen Bereich aufweist. Demnach kann eine geforderte elektrische Leitfähigkeit eines Sinterkörpers bei länglichen elektrisch leitfähigen Partikeln mit einem geringeren Volumenanteil als mit kugelförmigen Partikeln erreicht werden. Weitere Möglichkeiten zur Reduzierungen dieses Volumenteils, auch ggü. länglichen Partikeln, oft ebenfalls einhergehend mit weiter reduzierten Kosten, können durch plättchenförmige Partikel erreicht werden.
  • Darüber hinaus ist die Verwendung von flachen, plättchenförmigen oder länglichen elektrisch leitfähigen Partikeln insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn der Füllgrad des elektrisch leitfähigen Materials im Sinterkörper relativ gering ist. Durch elektrisch leitende Partikeln mit den oben beschriebenen Geometrien kann hierbei auch bei geringen Füllgraden ein Gerüst bzw. Netzwerk aus elektrisch leitfähigem Material im Sinterkörper ausgebildet werden, so dass eine elektrische Leitung gewährleistet werden kann und bei Anlegen einer Spannung bzw. einem Stromfluss durch den Sinterkörper in geeigneter Größe bspw. eine Verwendung als Heizelement bzw. in einem Verdampfer ermöglicht wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Sinterkörper elektrisch leitfähige Partikel mit einer plättchenförmigen oder länglichen Geometrie auf. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die elektrisch leitfähigen Partikel eine maximalen Dicke dmax und eine maximalen Länge Imax aufweisen, wobei gilt dmax < Imax. Als besonders vorteilhaft haben sich elektrisch leitfähige Partikel herausgestellt, für die gilt 2 dmax < Imax, bevorzugt 3 dmax ≤ Imax , besonders bevorzugt 7 dmax < Imax.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weisen die elektrisch leitfähigen Partikel im Sinterkörper eine mittlere Partikelgröße (d50) im Bereich von 0,1 µm bis 1000 µm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 200 µm, meist bevorzugt von 1 bis 50 µm auf. Bei Verwendung von elektrisch leitfähigen Partikeln mit einer geringeren Partikelgröße muss der Füllgrad der elektrisch leitfähigen Partikel in den entsprechenden Sinterkörpern erhöht werden, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zu erreichen. So erniedrigt sich die elektrische Leitfähigkeit durch die Verwendung von sehr kleinen elektrisch leitfähigen Partikeln. Zu große elektrisch leitfähige Partikel wiederum können den elektrischen Widerstand im Sinterkörper in lokalen Bereichen stark senken, so dass der Sinterkörper bezüglich des elektrischen Widerstandes inhomogen ist. Dies kann wiederum zu lokalen Überhitzungen im Sinterkörper und zu einer inhomogenen Verdampfung führen. Dieser Effekt ist hierbei umso stärker ausgeprägt, je größer die elektrische Leitfähigkeit der entsprechenden elektrisch leitfähigen Partikel ist. Zudem können sehr große elektrisch leitfähige Partikel und die damit verbundene inhomogene Struktur des Sinterkörpers sich nachteilig auf dessen mechanische Festigkeit auswirken.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Poren eine mittlere Porengröße im Bereich von 1 µm bis 1000 µm auf. Bevorzugt liegt die Porengröße der offenen Poren des Sinterkörpers im Bereich von 50 bis 800 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 100 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 bei Verwendung als Flüssigkeitsspeicher in einem Verdampfer zu gewährleisten, gleichzeitig sind sie groß genug, um eine zügige Abgabe des Dampfes zu ermöglichen. Denkbar ist es dabei auch dazu mehr als eine Porengröße bzw. mehr als einen Porengrößenbereich, bspw. eine bimodale Porengrößenverteilung mit großen Poren und kleinen Poren, in einem Sinterkörper vorteilhaft vorzusehen. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass der Anteil elektrisch leitfähiger Partikel bei vorgegebener bzw. geforderter elektrischer Leitfähigkeit eines Sinterkörpers bei geringer Porosität niedriger ausfallen kann als bei Sinterkörpern höherer Porosität. Der jeweiligen Verwendung bzw. deren Anforderungen daraus, wie oben beschrieben, zum Beispiel der Transport einer zu verdampfenden Flüssigkeit versus der Verdampfungsleistung, kann somit durch geeignete Anpassungen der Materialzusammensetzung und Porosität Rechnung getragen werden. Vorzugsweise ist das dielektrische Material im Sinterkörper gegenüber Temperaturen von zumindest 300 °C oder sogar von zumindest 400°C thermisch stabil.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das dielektrische Material des Sinterkörpers ein Glas. Vorzugsweise wird die Matrix des Sinterkörpers, in der die elektrisch leitfähigen Partikel eingebettet sind, aus Glas gebildet. Die Verwendung von Glas als dielektrisches Material ist in Hinblick auf die Prozessierbarkeit bei der Herstellung des Sinterkörpers sowie auf die Temperaturstabilität und die mechanische Festigkeit des Glases vorteilhaft. Als besonders vorteilhaft haben sich hierbei Gläser ohne oder mit einem relativ geringen Alkaligehalt gezeigt. Unter alkalifreien Gläsern bzw. unter Gläsern ohne Alkaligehalt werden dabei Gläser verstanden, deren Zusammensetzung Alkalien nicht gezielt zugegeben werden. Geringe Alkalianteile, welche beispielsweise in Form von Verunreinigungen in das Glas eingebracht werden, sind dagegen nicht ausgeschlossen. Ein niedriger Alkaligehalt, insbesondere ein niedriger Gehalt an Natrium ist hierbei unter mehreren Gesichtspunkten vorteilhaft. So zeigen Gläser mit einem relativ geringen Alkaligehalt auch bei hohen Temperaturen eine geringe Alkali-Diffusion, so dass sich die Glaseigenschaften auch im Heizbetrieb des Verdampfers nicht oder fast nicht verändern. Die geringe Alkali-Diffusion der Gläser ist weiterhin auch im Betrieb des Sinterkörpers als Verdampfer vorteilhaft, da somit keine solchen ggf. austretenden Bestandteile mit dem elektrisch leitfähigen Material und /oder einer optional vorhandenen Beschichtung des Sinterkörpers und/oder mit der zu verdampfenden Flüssigkeit wechselwirken. Letzteres ist insbesondere bei der Verwendung des, optional beschichteten, Sinterkörpers als Verdampfer in medizinischen Inhalatoren relevant. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Alkalianteil des Glases von höchstens 15 Gew.-% oder sogar höchstens 6 Gew.-% herausgestellt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung enthält der Verdampfer als dielektrisches Material ein Glas. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Borosilikatglas, insbesondere mit den folgenden Bestandteile herausgestellt:
    SiO2 50 bis 85 Gew.-%
    B2O3 1 bis 30 Gew.-%
    Al2O3 1 bis 30 Gew.-%
    ΣLi2O + Na2O + K2O 0 bis 30 Gew.-%
    ΣMgO + CaO + BaO + SrO 1 bis 40 Gew.-%.
  • Es können jedoch auch andere Gläser als dielektrisches Material verwendet werden. So haben sich neben Borosilikatgläsern beispielsweise auch Bismuthgläser oder Zinkgläser als geeignet herausgestellt. Unter letztgenannten Gläser oder ähnlichen Gläsern mit anderen Oxide wird verstanden, dass diese als wesentlichen Bestandteil entsprechende oxidische Komponenten, also z.B. Bi2O3 oder ZnO, umfassen, bspw. zu mindestens 50 Gew.-% oder sogar bis zu 80 Gew.-%.
  • Durch die Auswahl des jeweiligen dielektrischen Materials, insbesondere eines Glases, kann auch das thermische Ausdehnungsverhalten der dielektrischen Komponente beeinflusst werden. Dabei ist eine geringe thermische Ausdehnung dieser in der Anwendung als Verdampfer vorteilhaft hinsichtlich einer Temperaturwechselbeständigkeit bzw. bei Temperaturwechselbelastung des Sinterkörpers. Diese kann beispielsweise bei der Anwendung des Komposits in einer elektrischen Zigarette durch wiederholte, oft recht kurze, Heizzyklen auftreten.
  • Ähnlich, wie für die elektrisch leitfähigen Materialien, ist auch die Inertheit bzw. chemische Beständigkeit des Glases relevant, bspw. was mögliche Reaktionen, bzw. deren Vermeidung, von Glas mit elektrisch leitfähigem Material angeht, dies insbesondere auch während des Herstellungsprozesses eines Sinterkörpers durch thermische Behandlung, beispielsweise während des Sintervorgangs. Weiterhin ist eine Inertheit des dielektrischen Materials gegenüber den beim Herstellungsprozess verwendeten Hilfsstoffen, beispielsweise gegenüber Sinterhilfsmitteln oder Porenbildnern, vorteilhaft. Bei der Verwendung des Sinterkörpers bspw. als Verdampfer oder einer Komponten in einem Verdampfer ist eine hohe chemische Beständigkeit oder geringe Reaktivität des Glases gegenüber den zu verdampfenden Substanzen, bspw. Propylenglykol, Glycerin, Wasser und/oder Mischungen daraus, und/oder Zusatzstoffen darin wesentlich. Bevorzugt werden Gläser mit einer hohen chemischen Beständigkeit, insbesondere Gläser mit einer Wasserbeständigkeit der Klasse 3, besonders bevorzugt Gläser mit einer Wasserbeständigkeit der Klasse 1 oder 2 (gemessen nach ISO 719), eingesetzt. Des Weiteren haben sich Gläser mit einem geringen Anteil an Netzwerkwandlern und/oder mit einem hohen Anteil an Netzwerkbildnern als vorteilhaft hinsichtlich ihrer chemischen Beständigkeit herausgestellt. Gemäß einer Ausführungsform weist das Glas einen Anteil an Netzwerkbildnern von zumindest 50 Gew,.%, vorzugsweise einen Anteil an Netzwerkbildnern von zumindest 70 Gew.-% auf. Als Netzwerkbildner werden insbesondere Glaskomponenten verstanden, welche zur Ausbildung von Sauerstoffbrücken im Glas beitragen, beispielsweise SiO2, B2O3 und Al2O3.
  • Alternativ können als dielektrische Materialien auch Glaskeramiken, Keramiken oder Kunststoffe verwendend werden, sofern eine Verarbeitung unterhalb Schmelztemperatur des verwendeten elektrisch leitenden Materials möglich ist. Daher werden bei der Verwendung von Keramiken als ein dielektrisches Material mit meist hohen Schmelztemperaturen, insbesondere, wenn diese über denen der eingesetzten Metalle liegt sinterfördernde Stoffe, bspw. ein Glas, bevorzugt ein zuvor beschriebenes Glas, zugefügt, so dass unter Ausbildung einer flüssigen Phase eben dieses Glases ein Sinterkörper mittels Flüssigphasensinterns gesintert wird bzw. sinterbar ist.
  • Eine weitere Variante sieht vor, dass einer Mischung aus elektrisch leitfähigen und dieelektrischen Materialien weitere Materialien zugegegeben werden können, um beispielsweise die Verarbeitung oder Herstellung eines Sinterkörpers beeinflussen. So können insbesondere sogenannte Sinterhilfsmittel zur Modifikation der Sinterbedingungen, z.B. Einstellung, insbesondere der. Absenkung, der Verarbeitungstemperatur und/oder Materialien, die eine Modifikation von Eigenschaften des Sinterkörpers erlauben verwendet werden. So kann insbesondere beim Einsatz hochschmelzender Keramiken als ein dielektrisches Material, durch Zugabe eines sinterfördernden Mittels, bspw. eines Glases, vorteilhaft eines zuvor beschriebenen Glases, eine Sinterung unter Ausbildung einer flüssigen Phase bei Temperaturen erfolgen, bei welcher das elektrisch leitfähige Material nicht schmilzt. Weiterhin kann so beispielsweise die die Wärmeleitfähigkeit im Blick auf thermische Isolation versus Heizleistung, Heizgeschwindigkeit oder Aufheizung umgebender Komponenten, bspw. einer E-Zigarette, oder auch die Oberflächeneigenschaften des Sinterkörpers, hinsichtlich Absorption, Desorption und/oder Nachfluss zu verdampfender Medien, einstellbar ausgeführt werden.
  • Zudem sollten die entsprechenden dielektrischen Materialien grundsätzlich eine ausreichende chemische Beständigkeit sowie eine Beständigkeit gegenüber Wasser und den Bestandteilen von zu verdampfenden Flüssigkeiten, bspw. Propylenglykol und Glycerin, aber auch den Metallen aufweisen. Als Kunststoffe eignen sich beispielsweise temperaturstabile Polymere wie Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK) oder Polyamide (PA).
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Verdampfer eine mechanische elektrische Kontaktierung, eine elektrische Kontaktierung durch einen elektrisch leitenden Verbinder oder eine stoffschlüssige elektrisch leitende Verbindung auf. Vorzugsweise erfolgt die elektrische Kontaktierung durch eine Lötverbindung.
  • Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass der Sinterkörper zusätzlich eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweist. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei eine elektrisch leitfähige Beschichtung herausgestellt, die sich über die gesamte Oberfläche des Sinterkörpers erstreckt. So sind auch die Oberflächen des Sinterkörpers, welche durch die Porenoberflächen im Inneren des Sinterkörpers gebildet werden, mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen. Dies ist besonders vorteilhaft, da somit auch der beschichtete Sinterkörper eine homogene elektrische Leitfähigkeit aufweist. Als Beschichtungsmaterialien haben sich beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (=ITO), Aluminium-dotiertes Zinkoxid (AZO) herausgestellt. Ebenso können Beschichtungen verwendet werden, die allgemein mindestens eines dieser Materialien enthalten.
  • Durch die zusätzliche Beschichtung, die je nach Beschichtungsverfahren auch nur teil - oder abschnittsweise auf einem Sinterköprer aufgebracht werden kann, kann die elektrische Leitfähigkeit des Verdampfers modifiziert werden, ohne die Zusammensetzung des Sinterkörpers zu verändern. So kann gemäß einer Ausführungsform die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers durch die Beschichtung angepasst bzw. eingestellt, insbesondere erhöht und/oder homogensiert werden. Dies kann beispielsweise zur Erzeugung von Verdampfern mit besonders hohen elektrischen Leitfähigkeiten genutzt werden, indem Sinterkörper mit einem relativ hohen Gehalt an elektrisch leitfähigem Material beschichtet werden. Dies ermöglicht auch die Einstellung einer geforderten elektrischen Leitfähigkeit basierend auf vorgegebenen Grundleitfähigkeiten von Sinterkörpern als Komposite aus dielektrischem Material und elektrisch leitfähigen Material durch Aufbringen geeigneter Schichtdicken der Beschichtung. Eventuelle Schwankung einer Leitfähigkeit des Sinterkörpers oder dessen Grundleitfähigkeit können so ebenfalls einfach ausgeglichen werden. Zudem kann, insbesondere durch lokale und/oder laterale Strukturierung der elektrisch leitfähigen Beschichtung, ein Komposit mit einer lokal angepassten Leitfähigkeit, beispielsweise durch eine lokale Begrenzung der Leitfähigkeit, realisiert werden. Durch eine laterale Strukturierung der Beschichtung auf dem Sinterkörper können somit Zonen mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten erhalten werden. So kann der Sinterkörper beispielsweise in lokale Heizzonen und/oder Speicherzonen eingeteilt werden. Auch die gezielte Einstellung von Transportzonen und Transportwegen kann hierdurch erfolgen.
  • Weiterhin können mittels einer Beschichtung auch die Oberflächeneigenschaften, bspw. die Oberflächenaktivität oder -energie, des Sinterkörpers bzw. Verdampfer beeinflusst werden, um z.B. die Aufnahme, Transport und Abgabe bzw. Verdampfung einer Flüssigkeit zu verändern oder einzustellen. Auch kann die Inertheit des Sinterkörpers weiter verbessert werden, indem dieser durch eine Beschichtung sozusagen passiviert wird, also bspw. um insbesondere im Betrieb vor Korrosion, Degradation oder Alterung durch Reaktion mit Luft oder mit zu verdampfender Flüssigkeit zu schützen. Thermomechanische Eigenschaften des Sinterkörpers können ebenso angepasst, verbessert oder eingestellt werden, wie beispielsweise die mechanische Festigkeit und/oder die Wärmeleitfähigkeit. Dabei kann eine Beschichtung einen aber auch mehrere dieser Eigenschaften adressieren.
  • Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass der Sinterkörper nur einen relativ geringen Anteil an elektrisch leitfähigem Material, insbesondere im Bereich von 5 bis 15 Vol.-%, enthält und somit eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Diese kann durch das Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Beschichtung erhöht werden. Dadurch, dass der Sinterkörper schon eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, sind nur relativ geringe Schichtdicken notwendig gegenüber einer Beschichtung von Sinterkörpern, die kein elektrisch leitfähiges Material enthalten. In Vergleich mit einem Sinterkörper, welcher aus einem rein dielektrischen Material aufgebaut ist, kann beim erfindungsgemäßen Sinterkörper entsprechend seiner elektrischen Grundleitfähigkeit die Menge notwendigen Beschichtungsmaterials reduziert werden, beispielsweise um bis zu 90%, um vergleichbare elektrische Leitfähigkeiten zu erzielen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Komposit auf Grund eines sehr geringen Anteils an elektrisch leitfähigem Material und/oder des verwendeten elektrisch leitfähigen Materials keine oder nur eine sehr geringe Leitfähigkeit auf, dass die einzelnen elektrisch leitfähigen Partikel im Sinterkörper nicht oder nur wenig vernetzt sind. Durch Aufbringen der oben beschriebenen, elektrisch leitfähigen Beschichtung werden die elektrisch leitfähigen Partikel miteinander verbunden und ein elektrisch leitfähiger, beschichteter Sinterkörper erhalten. Hierzu wird, verglichen mit einem Sinterkörper ohne elektrisch leitfähiges Material, nur relativ wenig Beschichtungsmaterial zum Erreichen einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit benötigt.
  • Vorzugsweise ist die mittlere Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Beschichtung kleiner als 10 µm oder sogar kleiner 1 µm, bis hin zu einigen Nanometern bzw. wenigen 10 nm. Die notwendige oder mögliche Schichtdicke wird dabei wesentlich von deren Art und Herstellungsmethode der Beschichtung bestimmt. So stehen ITO Bschichtungen in einem Bereich der elektrischen Leitfähigkeit von einigen 104 S/m bis einigen 106 S/m und Beschichtung aus TiN von einigen S/m bis einigen 10-3 S/m zur Verfügung. Durch diese geringen Schichtdicken wird zum einen nur wenig Beschichtungsmaterial benötigt. Gleichzeitig wird die Gefahr, dass kleinere Poren durch die Beschichtung verschlossen werden und somit nicht mehr als Verdampfungsvolumen zur Verfügung zu stehen, deutlich verringert. Die notwendige oder ausreichende Schichtdicke hängt dabei von der elektrischen Leitfähigkeit des Schichtmaterials ab. Ebenso hängt die zu erreichende bzw. erreichbare Schichtdicke von den Methoden der Beschichtung, z.B. mittels Flüssig- oder Gasphasenabscheidung, oder galvanisch, ab. So werden mit solchen Verfahren Schichten, bevorzugt dicht und homogen auf einen Sinterkörper aufgebracht, um dessen geforderte elektrische Leitfähigkeit und dessen im Betrieb gefordertes Heizverhalten, bspw. gleichmäßig oder auch lokal begrenzt im Volumen, des Sinterkörpers, einzustellen.
  • Die erfindungsgemäßen Verdampfer eignen sich insbesondere zur Verwendung als Bauteil in einer elektronischen Zigarette, einem medizinischen Inhalator, einem Duftspender oder einem Raumbefeuchter. Hierbei kann beispielsweise der Verdampfer auch zur indirekten Verdampfung von Flüssigkeiten oder Feststoffen, bspw. Wachse oder Harze, eingesetzt werden. So sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Sinterkörper von Luft bzw. Gas durchströmt wird und dieses erhitzt. Eine mögliche Verwendung dieser Weiterbildung liegt in medizinischen Inhalatoren. Auch eine Verwendung als Heizstrahler ist möglich.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Verdampfers. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst hierbei zumindest die folgenden Verfahrensschritte a) bis d):
    1. a) Bereitstellung eines elektrisch leitendes Material und ein dielektrisches Material in Pulverform,
    2. b) Mischen der in Schritt a) bereitgestellten Pulver, vorzugsweise optional mit einem Porenbildner,
    3. c) Erzeugung eines Grünkörpers aus der in Schritt b) bereit gestellten Pulvermischung durch Pressen, Gießen oder Extrudieren und
    4. d) Sintern des in Schritt c) erzeugten Grünkörpers.
  • Wobei insbesondere im Falle von Kunststoffen als dielektrisches Material die Schritte c) und d) auch parallell (gleichzeitig) oder sequentiell in einem Aggregat, bspw. einem Extruder oder im Spritzguss, stattfinden können, gegebenenfalls auch den Schritt b) umfassend. Solche Verfahren sind grundsätzlich auch auf die anderen dielektrischen Materialien anwendbar, aber häufig aufwendig und weniger gut kontrollierbar. Der Begriff des Sinterns wird hierbei auch als zur Verfestigung eines solchen Körpers führender Prozessschritt verstanden.
  • Der Anteil des elektrisch leitfähigen Materials an den gesamten in Schritt a) bereitgestellten Materialien beträgt hierbei maximal 90 Vol.-%. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Anteil an elektrisch leitfähigem Material im Bereich von 5 bis 70 Vol.-%, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 60 Vol.-% und besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 40 Vol.-%. Als dielektrisches Material werden in Schritt a) Glas, Glaskeramik, Keramiken oder Kunststoffen in Pulverform bereitgestellt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Anteil an dielektrischem Material an dem in Schritt a) bereitgestellten Materialien mindestens 10 Vol.-%, bevorzugt 30 bis 95 Vol.-%. Hierbei weist das dielektrische Material einen geringeren Erweichungs- bzw. Schmelzpunkt auf als das elektrisch leitfähige Material.
  • Aus der in Schritt b) bereit gestellten Mischung wird in einem nachfolgenden Schritt c) ein Grünkörper hergestellt. Dies kann beispielsweise durch Press- oder Extrudierprozesse oder durch einen Gießprozess erfolgen. In einer Ausführungsform der Erfindung wird aus der in Schritt b) bereit gestellten Mischung ein Schlicker hergestellt und nachfolgend gegossen.
  • In Schritt d) wird der Grünkörper gesintert. Hierbei entspricht die Sintertemperatur zumindest der Erweichungstemperatur des dielektrischen Materials, so dass durch den Sinterprozess das dielektrische Material eine zusammenhängende Matrix bildet. Gleichzeitig ist die Sintertemperatur jedoch geringer als die Schmelztemperatur des elektrisch leitfähigen Materials, so dass die Partikelstruktur des elektrisch leitfähigen Materials zumindest weitgehend erhalten bleibt. Es hat sich herausgestellt, dass eine Kombination von dielektrischem und elektrisch leitfähigen Materialien, bei denen das dielektrische Material bei einer Temperatur erweicht oder verarbeitet werden kann, die zumindest um 10°C oder sogar um zumindest 100°C unterhalb des Schmelzpunktes des elektrisch leitfähigen Materials liegt, besonders vorteilhaft ist. Hierdurch kann in Schritt d) die Sinterung bei einer Temperatur erfolgen, welche einen Sinterkörper mit hoher mechanischer Festigkeit ermöglicht. Gleichzeitig ist jedoch gewährleistet, dass Formstabilität der elektrisch leitfähigen Partikel im Sinterkörper und somit auch die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers durch den Sinterprozess nicht beeinträchtigt wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt in Schritt d) das Sintern des Grünkörpers bei einer Sintertemperatur im Bereich von 350 bis 1000°C.
  • Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sinterkörper weisen eine hohe mechanische Stabilität auf, so dass eine Nachbearbeitung des Sinterkörpers, beispielsweise zur Oberflächenbearbeitung oder Formgebung, möglich ist. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird der Sinterkörper in einem dem Schritt d) nachgelagerten Schritt e) geschliffen, gebohrt, poliert, gefräst und/oder gedreht.
  • Eine elektrische Kontaktierung des Sinterköpers kann zudem in einem den Schritten d) und/oder e) nachgelagerten Schritt f) der Sinterkörper erfolgen. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei eine Kontaktierung durch den Auftrag einer elektrisch leitfähigen Paste herausgestellt.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist das in Schritt a) bereitgestellte dielektrische Material eine thermische Stabilität gegenüber Temperaturen von zumindest 300 °C oder sogar zumindest 400 °C auf. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in Schritt a) als dielektrisches Material ein Glas bereitgestellt wird. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das in Schritt a) bereitgestellte Glas eine Transformationstemperatur Tg im Bereich von mehr als 300°C, insbesondere im Bereich von 500 bis 800 °C aufweist. Hierdurch kann in Schritt d) bei Sintertemperaturen gesintert werden, welche die Formstabilität der elektrisch leitfähigen Partikel gewährleiten. Gleichzeitig liegt die Transformationstemperatur des Glases jedoch deutlich oberhalb der Betriebstemperatur des Verdampfers.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in Schritt a) ein Glas mit einem Alkaligehalt < 15 Gew.-% oder sogar < 6 Gew.-% oder sogar ein alkalifreies Glas bereitgestellt wird. Entsprechende Gläser zeigen eine hohe mechanische Festigkeit, gute chemische und thermische Beständigkeit und reagieren auch bei hohen Temperaturen nicht oder kaum mit den elektrisch leitfähigen Materialien. Vorzugsweise wird in Schritt a) ein Borosilikatglas als dielektrisches Material bereitgestellt.
  • Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die in Schritt a) bereitgestellten elektrisch leitfähigen Partikeln eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 0,1 bis 1000 µm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 50 µm aufweisen.
  • Alternativ oder zusätzlich weisen die Partikel des in Schritt a) bereitgestellten dielektrischen Materials eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 1 bis 50 µm auf. Insbesondere ist die mittlere Partikelgröße des dielektrischen Materials kleiner als 30 µm. Entsprechende Partikelgrößen des dielektrischen Materials führen zu Sinterkörpern, bei denen der maximale Abstand zwischen benachbarten elektrisch leitfähigen Partikeln kleiner als 30 µm oder sogar kleiner als 10 µm ist. Dies gewährleistet im entsprechenden Sinterkörper eine Stromleitung auch bei geringen Gehalten an elektrisch leitfähigem Material.
  • In Schritt b) kann eine besonders homogene Mischung auch dadurch erhalten werden, dass die Korngrößen der Pulver von dielektrischen und elektrisch leitfähigen Material so aufeinander abgestimmt werden, dass eine Segregation oder Entmischung der Pulver oder Agglomeration eines Pulvers, aufgrund stark unterschiedlicher Korngrößen vermieden wird. Eine homogene Mischung in Schritt b) wirkt sich wiederum vorteilhaft auf die Homogenität des Komposits und damit auch auf die Homogenität der elektrischen Leitfähigkeit aus. Weiterhin sind zu kleine Korngrößen der Pulver beziehungsweise eines Pulvers, auch falls diese hinsichtlich der Korngrößen angepasst aneinander sind, möglichst zu vermeiden, um unnötige Verstaubung während deren Verarbeitung zu minimieren.
  • Als elektrisch leitfähige Materialien werden in Schritt a) vorzugsweise Edelmetalle, Aluminium, Kupfer, Wolfram, Molybdän, Chrom, Nickel, Titan, Titannitrid, Eisen, Edelstahl, Silizium und/oder Legierung oder Mischungen daraus und/oder Kohlenstoff, vorzugsweise als Graphen oder Graphit oder Nanotubes oder Nanorods, bereitgestellt. Vorzugsweise werden als elektrisch leitfähige Materialien Goldpartikel, Silberpartikel oder Platinpartikel bereitgestellt. Insbesondere diese Materialien weisen hierbei neben hohen elektrischen Leitfähigkeiten eine hohe chemische Beständigkeit und/oder hohe Schmelzpunkte auf.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Partikel des in Schritt a) bereit gestellten elektrisch leitfähigen Materials eine plättchenförmige Geometrie, bevorzugt eine plättchenförmige Geometrie mit einer maximalen Dicke dmax und einer maximalen Länge Imax, wobei gilt dmax < Imax auf. Entsprechende Geometrien eignen sich insbesondere zur Verwendung in Sinterkörpern mit einem geringen Anteil an elektrisch leitfähigen Materialien, d.h. in Sinterkörpern, bei denen ein Stromfluß zu einem hohen Maße durch Elektronentunnelströme realisiert wird. Hierbei haben sich insbesondere plättchenförmige Partikel, deren maximale Länge zumindest doppelt so groß ist wie die maximale Breite, als vorteilhaft herausgestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsformen beträgt das Verhältnis von maximaler Dicke zur maximalen Länge 1:2 bis 1:7.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in einem dem Schritt d) und/oder Schritt e) nachgelagerten Schritt g) eine elektrisch leitfähige Beschichtung, insbesondere eine Beschichtung, besonders bevorzugt eine oxidische ITO oder AZO oder nitridische, insbesondere TiN- haltige, oder metallische Beschichtung, auf den Sinterkörper aufgebracht wird. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht hierbei vor, dass die Beschichtung mittels Sol-Gel-Verfahren oder CVD-Verfahren auf die Oberfläche des Sinterkörpers aufgebracht wird. Ebenfalls ist denkbar, insbesondere da der Sinterkörper bereits mindestens eine Grundleitfähigkeit aufweist, auch galvanisch aufbringbare bzw. prozessierbare Schichtmaterialien, bspw. Gold, Silber oder Kupfer und/oder Kombinationen davon, bspw. als Schichtfolge, in Betracht zu ziehen.
  • Figurenliste
  • 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 einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers,
    • 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sinterkörpers im Querschnitt,
    • 5 einen vergrößerten Ausschnitt des in 4 gezeigten Querschnitts und
    • 6 eine REM-Aufnahme eines Ausführungsbeispiels und
    • 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels mit einer zusätzlichen elektrisch leitfähigen Beschichtung auf dem Sinterkörper.
  • 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 und des Speicher-/Dochtmaterials.
  • 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. Somit wird bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Kontakten 3a und 3b der Sinterkörper 6 im gesamten Volumenbereich zwischen den Kontakten 3a und 3b mit großer Oberfläche erhitzt. Somit wird die Flüssigkeit 1 im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Verdampfer nicht nur an den Mantelflächen des Sinterkörpers, sondern im gesamten Volumenbereich zwischen den elektrischen Kontakten des Sinterkörpers 6 gebildet. Ein Kapillartransport zu den Mantelflächen bzw. beheizten Flächen oder Elementen des Sinterkörpers 6 ist somit nicht notwendig. Zudem besteht weniger 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 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Sinterkörper 10 als Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Sinterkörper 10 weist hierbei ein Kompositmaterial 11 und darin verteilte Poren 12a, 12 b auf. Das Kompositmaterial 11 weist eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 105 S/m auf. Wird eine Spannung an den Sinterkörper 10 gelegt, so wird das gesamte Volumen des Sinterkörpers 10 von Strom durchflossen und somit erhitzt.
  • In 5 ist ein Ausschnitt des Sinterkörpers 10 vergrößert dargestellt. Das Kompositmaterial 11 wird durch eine dielektrische Matrix 13a sowie durch in der Matrix 13a homogen verteilte, elektrisch leitfähige Partikel 13b gebildet. In der in 5 gezeigten Ausführungsform weisen die elektrisch leitfähigen Partikel 13b eine plättchenförmige Geometrie auf. Ein entsprechender Sinterkörper 6 als Beispiel 1 mit einer elektrischen Leitfähigkeit im Bereich von 1 bis 5 S/m und einer Porosität von ca. 30 Vol% kann hierbei, nach den Prozessschritten a bis d erhalten werden, indem zunächst eine Mischung aus je 50 Vol% eines Glases und Titan, mit einer Korngröße d50 ausgewählt aus dem Bereich von 20 bis 50µm und länglicher Kornform bereitgestellt wird, daraus ein Grünkörper hergestellt wird und dieser anschließend durch thermische Behandlung in regulärer Ofenatmossphäre bei einer Temperatur, die ca. der Erweichungstemperatur des eingesetzten Glases entspricht, hier bei ca. 700°C für 20 min - 120 min zum Sinterköper 6 gesintert wird.
  • Bei Verwendung eines weiteren Glases mit einer etwa 200°C höheren Erweichungstemperatur des eingesetzten Glases können demgemäß bei einer Sinterung bei ca. 920 bis 940 °C für 20 min bis 120 min Sinterkörper 6 als Beispiel 2 mit einer elektrischen Leitfähigkeit im Bereich von 1 bis 10 S/m erhalten werden.
  • Die elektrische Leitfähigkeit wird, wenn nicht anders vermerkt, hier und in folgenden Beispielen durch Widerstandmessung bspw. an Probekörpern von ca. 5 bis 10 mm Durchmesser und 5 bis 10 mm Höhe und Umrechnung des Widerstandwertes in elektrische Leitfähigkeit ermittelt, wobei die Messspitzen an den gegenüberliegenden Durchmessern, ohne weitere Hilfsmittel (beispielsweise Leitpaste oder Anlöten von Kontakten), manuell, mechanisch angeordnet oder angebracht werden. Hierbei wird an Hand dieser Beispiele 1 und 2 deutlich, dass das dielektrische Material, in diesem Fall der verwendete Glastyp, nur einen mäßigen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers ausübt. Dagegen wird die elektrische Leitfähigkeit durch die Art des elektrisch leitfähigen Materials sowie dessen Gehalt im Sinterkörper maßgeblich bestimmt.
  • Weiter können Sinterkörper 6 als Beispiel 3 mit einer elektrischen Leitfähigkeit im Bereich von 100 bis 1000 S/m bei einer Porosität von ca. 55 Vol%, nach den Prozessschritten a bis d erhalten werden, indem zunächst eine Mischung aus je 85 Vol% eines Glases und 15 Vol% Silber, mit einer Korngröße d50 von 15 bis 20µm und länglicher Kornform bereitgestellt wird, daraus ein Grünkörper hergestellt wird und dieser anschließend durch thermische Behandlung in regulärer Ofenatmossphäre bei einer Temperatur, die ca. der Erweichungstemperatur des eingesetzten Glases entspricht, hier bei ca. 930 bis 950°C, für 20 min - 120 min zum Sinterköper 6 gesintert. Bei Verwendung eine anderen Kornform des eingesetzten Silbers, hier runde Kornform mit d50 von ebenfalls 15 bis 20 µm, werden demgemäß Sinterkörper 6 als Beispiel 4 mit einer elektrischen Leitfähigkeit im Bereich von 0,5 bis 1 S/m erhalten. Hieran wird der Einfluss der Partikelform des elektrisch leitenden Materials auf die elektrische Leitfähigkeit deutlich.
  • Sinterkörper 6 als Beispiel 5 bzw. 6 mit einer Porosität von ca. 55 Vol% mit einer Leitfähigkeit von ca. 1500 S/m können mittels Mischungen von 70 Vol% Glas mit 30 Vol% Molybdän (d50 von 1 bis 3 µm) bzw. einer Mischung von 70 Vol% Glas mit 30 Vol% Wolfram (d50 von 1 bis 2 µm) durch thermische Behandlung in regulärer Ofenatmossphäre bei einer Temperatur, die ca. der Erweichungstemperatur des eingesetzten Glases entspricht, hier bei ca. 900 bis 950°C für 20 min - 120 min, erhalten werden. Die Messung des Widerstandes der Probekörper erfolgte hier an dessen beiden gegenüberliegenden Durchmessern unter Zuhilfenahme dort aufgebrachter Leitpaste.
  • 6 zeigt eine REM-Aufnahme eines Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen Sinterkörper als ein weiteres Ausführungsbeispiel. Die elektrisch leitfähigen Partikel 13b erscheinen hier als helle Strukturen im dielektrischen Material 13a. Die Poren 12a weisen einen vorwiegend runden Querschnitt auf. Die Querschnittsgeometrie der Poren 12a wird durch die Partikelgeometrie des beim Herstellungsverfahren verwendeten Porenbildners bestimmt.
  • 7 zeigt den Aufbau eines beschichteten Sinterkörpers 6 mit offener Porosität an Hand eines schematischen Querschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel. Der beschichtete Sinterkörper 1 weist eine poröse Matrix aus Kompositmaterial 11 mit offenen Poren 12a, 12b auf. Ein Teil der offenen Poren 12b bildet mit ihrer Porenoberfläche die Mantelflächen des Sinterkörpers, während ein anderer Teil der Poren 12a das Innere des Sinterkörpers bilden. Alle Oberflächen des Sinterkörpers weisen eine elektrisch leitfähige Beschichtung 9a, beispielsweise in Form einer ITO-Beschichtung, auf. Wird eine Spannung am Sinterkörper angelegt, so fließt der Strom durch das gesamte Volumen des Sinterkörpers.
  • Ein entsprechend beschichteter Sinterkörper 6 als Beispiel 8 kann hierbei erhalten werden, indem zunächst ein Glasmetallkomposit mit einer relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 100 S/m hergestellt wird, bspw. nach einem der Beispiele 1 oder 4. Hierzu kann auch weiter beispielsweise ein Sinterkörper aus 95 bis 86 Vol.-% Borosilikatglas und 5-15 Vol.-% Silber mit länglichen Silberpartikel einer Partikelgröße im Bereich von 1 bis 60 µm durch Sintern unter Luft bei einer Temperatur im Bereich von Sinterung 900-950 °C 20 min bis 120 min hergestellt werden. Um eine gewünschte elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 100 bis 600 S/m zu erhalten, wird der Sinterkörper nachfolgend mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung, beispielsweise einer ITO-haltigen oder AZO-haltigen Beschichtung, versehen. Durch die elektrische Grundleitfähigkeit des Sinterkörpers werden hierbei (verglichen mit einem Sinterkörper ohne elektrisch leitfähiges Material) weniger 50 % Beschichtungsmaterial benötigt. Weiterhin ist der Beschichtungsprozess auch weniger zeitintensiv. So kann die für den Beschichtungsprozess benötigte Prozesszeit um bis zu 70% reduziert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Trägerflüssigkeit
    2
    Sinterkörper
    2a
    Heizzone
    3, 30
    Heizelement
    3a, 3b
    Kontakte
    4
    Kapillarkräfte
    5
    Dampf
    6
    Sinterkörper
    8a, 8b
    Poren
    9, 9a
    elektrisch leitfähige Beschichtung
    10
    elektrisch leitfähiger Sinterkörper
    11
    Kompositmaterial
    12a, 12b
    Pore
    13a
    dielektrisches Material
    13b
    elektrisch leitfähige Partikel
    14
    Abstand zwischen benachbarten, elektrisch leitfähigen Partikeln
    20
    Sinterkörper
    22
    Verdampfer
    31, 32
    Kontaktierung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2764783 A1 [0015]
    • US 2011/0226236 A1 [0016]
    • US 2014/0238424 A1 [0018]
    • US 2014/0238423 A1 [0018]
    • DE 102017123000 [0020]

Claims (21)

  1. Verdampfer umfassend einen porösen Sinterkörper, wobei der Sinterkörper durch ein Komposit aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Material sowie mindestens einem dielektrischen Material gebildet wird, der eine offene Porosität im Bereich von 10 bis 90 % aufweist, wobei das dielektrische Material ausgewählt wird aus der Gruppe Glas, Glaskeramik, Keramik, Kunststoff und deren Kombinationen und wobei der Anteil an dielektrischem Material im Komposit 10 bis 95 Vol.-% und der Anteil an elektrisch leitfähigem Material im Sinterkörper maximal 90 Vol.-% beträgt und der Sinterkörper eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 105 S/m aufweist.
  2. Verdampfer gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei der Verdampfer, vorzugsweise der Sinterkörper, eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 10 bis 10000 S/m aufweist.
  3. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verdampfer, bevorzugt der Sinterkörper einen elektrischen Widerstand im Bereich von 0,05 bis 5 Ohm, bevorzugt 0,1 bis 5 Ohm aufweist, der Verdampfer mit einer Spannung im Bereich von 1 bis 12 V und/oder mit einer Heizleistung von 1 bis 500 W, bevorzugt 1 bis 300 W, besonders bevorzugt 1 bis 150 W betrieben wird.
  4. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sinterkörper als elektrisch leitendendes Material Wolfram, Molybdän, Eisen, Titan, Aluminium, Kupfer, Chrom, Nickel, ein Edelmetall, bevorzugt Platin, Gold oder Silber oder deren Legierungen, Edelstahl, Silizium, Titannitrid, und/oder Graphit oder eine Kombination daraus enthält.
  5. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Gehalt an elektrisch leitfähigem Material höchstens 90 Vol.-%, bevorzugt höchstens 70 Vol.-% beträgt oder im Bereich von 5 bis 70 Vol.-%, bevorzugt 10 bis 60 Vol.-%, bevorzugt im Bereich von 15 bis 40 Vol.-% liegt.
  6. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei der Gehalt an elektrisch leitfähigem Material im Sinterkörper 5 bis 70 Vol-%, bevorzugt 5 bis 15 vol.-% beträgt und der Sinterkörper zusätzlich eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweist, wobei auch bevorzugt die innere Oberfläche des Sinterkörpers mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen ist.
  7. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Partikel des elektrisch leitfähigen Materials im Sinterkörper Partikelgrößen d50 im Bereich von 0,1 µm bis 1000 µm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 200 µm, meist bevorzugt im Bereich von 1 bis 50 µm aufweisen.
  8. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Partikel des elektrisch leitfähigen Materials plättchenförmig ausgebildet sind und/oder eine maximale Dicke dmax und eine maximaleLänge Imax aufweisen, wobei gilt dmax < Imax, besonders bevorzugt 2 dmax < Imax, ganz besonders bevorzugt 7 dmax < Imax .
  9. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die offenen Poren des Sinterkörpers eine mittlere Porengröße im Bereich von 1 µm bis 5000 µm, bevorzugt 50 bis 800 µm und besonders bevorzugt im Bereich von 100 bis 600 µm aufweisen.
  10. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitfähige Material eine Leitfähigkeit im Bereich von > 30 bis 70 S/µm aufweist und der Anteil an elektrisch leitfähigem Material im Sinterkörper 5 bis 40 Vol.-%, bevorzugt 10 bis 30 Vol.-% und besonders bevorzugt 15 bis 25 Vol.-% beträgt.
  11. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei das elektrisch leitfähige Material eine Leitfähigkeit im Bereich von 10 bis 30 S/µm aufweist und der Anteil an elektrisch leitfähigem Material im Sinterkörper 10 bis 60 Vol.-%, bevorzugt 15 bis 50 Vol.-% und besonders bevorzugt 20 bis 40 Vol.-% beträgt.
  12. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei das elektrisch leitfähige Material eine Leitfähigkeit im Bereich von 1 bis <10 S/µm aufweist und der Anteil an elektrisch leitfähigem Material im Sinterkörper 15 bis 90 Vol.-%, bevorzugt 20 bis 70 Vol.-% und besonders bevorzugt 25 bis 60 Vol.-% beträgt.
  13. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sinterkörper als zumindest ein dielektrisches Material Glas enthält oder daraus besteht, bevorzugt ein Glas mit zumindest einem der folgenden Merkmale - mit einem Alkaligehalt ≤ 15 Gew.-%, besonders bevorzugt ein Glas mit einem Alkaligehalt ≤ 6 Gew.-%, - mit Anteil an Netzwerkbildnern von zumindest 50 Gew.%, bevorzugt zumindest 70 Gew%- mit einer Transformationstemperatur Tg im Bereich von 300 bis 900 °C, bevorzugt 500 bis 800 °C, - mit einer Wasserbeständigkeit Klasse 3, bevorzugt mit einer Wasserbeständigkeit der Klasse 1 oder 2 (gemessen nach ISO 719).
  14. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Glas ein Borosilikatglas, bevorzugt ein Borosilikatglas enthaltend die folgenden Bestandteile SiO2 50 bis 85 Gew.-% B2O3 1 bis 30 Gew.-% Al2O3 1 bis 30 Gew.-% ΣNa2O + K2O 1 bis 30 Gew.-% ΣMgO + CaO + BaO + SrO 1 bis 40 Gew.-%
    ist.
  15. Verwendung eines Verdampfers gemäß einem der vorstehenden Ansprüche als Bauteil in einer elektronischen Zigarette, einem medizinischen Inhalator, einem Duftspender, einem Raumbefeuchter, zur Desinfektion oder zum Aufheizen von Gasen.
  16. Verfahren zur Herstellung eines Verdampfers, insbesondere eines Verdampfers gemäß Anspruch 1 umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellung eines elektrisch leitendes Material und ein dielektrisches Material in Pulverform, b) Mischen der in Schritt a) bereitgestellten Pulver, vorzugsweise mit zumindest einem Porenbildner, c) Erzeugung eines Grünkörpers aus der in Schritt b) bereit gestellten Pulvermischung durch Pressen, Gießen oder Extrudieren, d) Sintern des in Schritt c) erzeugten Grünkörpers, wobei das in Schritt a) bereit gestellte dielektrische Material Glas, Glaskeramik, Keramik oder Kunststoffe umfasst und der Anteil an elektrisch leitfähigem Material in dem in Schritt a) bereitgestellten Pulver höchstens 90 Vol.-% beträgt.
  17. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei in einem dem Schritt d) nachgelagerten Schritte) der Sinterkörper nachbearbeitete, bevorzugt geschliffen, gebohrt, poliert, gefräst und/oder gedreht wird und/oder in einem der Schritte d) und/oder in einem dem Schritt e) nachgelagerten Schritt f) der Sinterkörper elektrisch kontaktiert, bevorzugt durch Auftrag einer elektrisch leitfähigen Paste oder Anlöten von Leitungen, wird.
  18. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei in Schritt a) als dielektrisches Material ein Glas bereitgestellt wird, bevorzugt ein Glas mit zumindest einem der folgenden Merkmale: - mit einem Alkaligehalt ≤ 15 Gew.-%, besonders bevorzugt ein Glas mit einem Alkaligehalt ≤ 6 Gew.-% - mit einem Anteil an Netzwerkbildnern von zumindest 50 Gew.%, bevorzugt zumindest 70 Gew%- mit einer Transformationstemperatur Tg im Bereich von 300 bis 900 °C, bevorzugt 500 bis 800 °C, - mit einer Wasserbeständigkeit Klasse 3, bevorzugt mit einer Wasserbeständigkeit der Klasse 1 oder 2 (gemessen nach ISO 719).
  19. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Schritt a) als elektrisch leitendendes Material Titan, Aluminium, Kupfer, Eisen, Wolfram, Molybdäne, Chrom, Edelmetalle oder deren Legierungen, bevorzugt Silber, Gold, Platin, Edelstahl, Silizium und/oder Graphit bereitgestellt wird.
  20. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Partikel des in Schritt a) bereit gestellten elektrisch leitfähigen Materials plättchenförmig ausgebildet sind, eine maximale Dicke dmax und eine maximale Länge Imax aufweisen, wobei gilt dmax < Imax, besonders bevorzugt 2 dmax < Imax und/oder die Partikel des in Schritt a) bereitgestellten dielektrischen Materials eine mittlere Partikelgröße d50 im Bereich von 0,1 bis 1000 µm, bevorzugt 1 bis 200 µm, besonders bevorzugt 1 bis 50µm und/oder eine Partikelgröße kleiner 30 µm, bevorzugt kleiner 10 µm aufweisen.
  21. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in dem in Schritt a) bereitgestellten Pulver der Gehalt an elektrisch leitfähigem Material im Bereich zwischen 5 und 70 Vol.-% liegt und die innere Oberfläche des Sinterkörpers in einem dem Verfahrensschritt d) nachgelagerten Schritt h) mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung, bevorzugt durch ein Sol-Gel-Verfahren oder CVD-Verfahren versehen wird.
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