DE102021104002A1 - Flexibles Heizelement, Verfahren zur Herstellung eines derartigen Heizelements und Verwendung eines flexiblen Heizelements - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein flexibles Heizelement (10) mit einer Temperaturbeständigkeit von mindestens 250 °C, insbesondere von mindestens 300 °C, umfassend:- ein elektrisch leitendes Substrat (15), gebildet aus einer Metallfolie,- eine auf mindestens einer Seite (16) des Substrats (15) ausgebildete Isolationsschicht (20), und- eine auf der vom Substrat (15) wegweisenden Seite (21) der Isolationsschicht (20) ausgebildeten Heizstruktur (30), wobei das Heizelement (10) eine Heizelementdicke (DH) von weniger als 1,0 mm, das Substrat (15) eine Substratdicke (DS) von 0,02 mm - 0,5 mm und die Isolationsschicht (20) eine Isolationsschichtdicke (DI) von 0,2 µm - 30 µm aufweist

Description

• Die Erfindung betrifft ein flexibles Heizelement mit einer Temperaturbeständigkeit von mindestens 250 °C, insbesondere von mindestens 300 °C. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Heizelements. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen flexiblen Heizelements.
• Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Ausführungsformen von Heizelementen bekannt. In US 2018/0093455 A1 wird beispielsweise ein flexibler, flacher Heizer offenbart, der auf Basis eines polymeren Laminats ausgebildet ist. Das Laminat besteht aus einer Polymerschicht, konkret aus Polyimid, einer Primer-Schicht und einer Silikonklebeschicht. Auf der Silikonklebeschicht ist eine Metallstruktur, die als Heizstruktur ausgebildet ist, laminiert. Nachteilig an derartigen Heizelementen ist allerdings die Verwendung eines polymeren Laminats. Eine Verwendung derartiger Materialien verhindert eine Verwendung des Heizelementes bei Temperaturen von über 300 °C. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Polymere des Laminates bei derartigen Temperaturen pyrolisieren oder degradieren würden.
• In US 5,408,574 A wird wiederum ein Heizelement offenbart, das auf der Verwendung eines keramischen Substrates basiert. Das keramische Substrat weist dabei eine Dicke von 25 - 250 µm auf, um eine ausreichende Stabilität zu garantieren. Der Heizer weist einzelne Heizstrukturen auf, die einzeln ansteuerbar sind. Diese Heizstrukturen werden vorzugsweise mittels Siebdruck auf Grundlage einer edelmetallhaltigen Paste erzeugt. Ein derartiges Heizelement ist derart ausgelegt, dass es bei einer maximalen Heizleistung von 10 - 20 W eine Temperatur von 450 °C - 600 °C in zwei Sekunden erreicht. Nachteilig bei einem derartigen Heizelement ist allerdings die Verwendung eines Keramik-Substrates. Derartige Keramik-Substrate sind weder elastisch noch weisen sie eine hohe Bruchfestigkeit auf.
• Ausgehend von dem Vorgenannten, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige Lösung anzugeben, die ein einerseits flexibles Heizelement mit einer andererseits hohen Temperaturbeständigkeit aufweist. Eine flexible Ausbildung eines Heizelements ist insbesondere vorteilhaft, um einen guten Wärmekontakt zu in Kontakt stehenden Körpern mit unebenen Oberflächen auszubilden.
• Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe ein flexibles Heizelement herstellbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine entsprechende Verwendung des erfindungsgemäßen Heizelementes anzugeben.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf ein flexibles Heizelement durch den Gegenstand des Anspruches 1, im Hinblick auf ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Heizelementes durch den Gegenstand des Anspruches 11 und im Hinblick auf eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Heizelements durch den Gegenstand des Patentanspruches 15 gelöst.
• Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein flexibles Heizelement mit einer Temperaturbeständigkeit von mindestens 250 °C, insbesondere von mindestens 300 °C, anzugeben, wobei das flexible Heizelement umfasst:
• • ein elektrisch leitendes Substrat, gebildet aus einer Metallfolie,
• • eine auf mindestens einer Seite des Substrats ausgebildete Isolationsschicht, und
• • eine auf der vom Substrat wegweisenden Seite der Isolationsschicht ausgebildete Heizstruktur,
wobei das Heizelement eine Heizelementdicke von weniger als 1,0 mm, das Substrat eine Substratdicke von 0,02 mm - 0,5 mm und die Isolationsschicht eine Isolationsschichtdicke von 0,2 µm - 30 µm aufweist.
• Mit anderen Worten wird ein Heizelement angegeben, das zum einen flexibel ist und zum anderen eine hohe Temperaturbeständigkeit von mindestens 250 °C, insbesondere von mindestens 300 °C, aufweist. Die Ausbildung eines derartigen Heizelements wird dadurch ermöglicht, dass die einzelnen Schichten bzw. Bauteile des flexiblen Heizelements hinsichtlich ihrer Materialien sowie der jeweiligen Dicken der Elemente bzw. Schichten derart weitergebildet sind, dass zum einen Flexibilität hergestellt wird und zum anderen eine Temperaturbeständigkeit ausgebildet wird.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Heizelement eine Heizelementdicke von weniger als 0,6 mm, besonders bevorzugt von weniger als 300 µm auf.
• Als Isolationsschichten eignen sich insbesondere derartige elektrisch isolierende Schichten, die das elektrisch leitende Substrat von der Heizstruktur elektrisch trennen. Generell eignen sich hierzu Schichten mit einem spezifischen Widerstand von > 10E10 Ω * cm.
• Die Isolationsschicht umfasst vorzugsweise eine Metalloxidschicht, insbesondere eine anodisierte Metalloxidschicht, oder eine Metallnitridschicht oder eine Metalloxidnitridschicht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Isolationsschicht eine Metalloxidschicht, insbesondere eine anodisierte Metalloxidschicht, oder eine Metallnitridschicht oder eine Metalloxidnitridschicht. Sofern die Isolationsschicht eine der genannten Metallschichten ist, weist die Isolationsschicht keine weiteren Schichten, die nicht unter die vorangegangenen Schichtdefinitionen fallen, auf.
• Des Weiteren ist es möglich, dass die Isolationsschicht als Kombination verschiedener übereinander gestapelter Metalloxidschichten, Metallnitridschichten oder Metalloxidnitridschichten ausgestaltet ist.
• Der Vorteil einer Isolationsschicht, die eine Metalloxidschicht, eine Metallnitridschicht oder eine Metalloxidnitridschicht ist oder aufweist, besteht darin, dass derartige Isolationsschichten sowohl gute isolierende Eigenschaften aufweisen als auch möglichst dünn ausgestaltet werden können.
• Einige Metalle, wie zum Beispiel Aluminium oder FeCrAI-Legierungen bilden besonders stabile Metalloxidschichten aus, sodass ein Abplatzen der Isolationsschicht bzw. das Ausbilden von Rissen in der Isolationsschicht, auch bei schnellen Temperaturwechseln verhindert wird.
• Des Weiteren ist es möglich, dass die Isolationsschicht folgende Bestandteile aufweist:
• Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Aluminiumtitantat (Al₂TiO₅) und/oder Titandioxid (TiO₂) und/oder Siliziumdioxid (SiO₂) und/oder Siliziumoxid (SiO) und/oder Magnesiumoxid (MgO) und/oder Magnesiumtitanat (MgTiO₃) und/oder eine binäre Zirkondioxid-Legierung und/oder eine ternäre Zirkoniumdioxid-Legierung und/oder Bornitrid (BN) und/oder Aluminiumnitrid (AIN) und/oder Siliziumnitrid (Si₃N₄).
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass die Isolationsschicht mittels ADM-Verfahren (Aerosol-Deposition-Method) hergestellt ist. Mit Hilfe eines derartigen Verfahrens können keramische oder glasartige Isolationsschichten hergestellt werden. Diese Schichten weisen eine besonders hohe elektrische Isolation auf und können zusätzlich eine dünne Schichtdicke aufweisen. Sofern die Isolationsschicht mittels ADM-Verfahren hergestellt wird, kann die Isolationsschichtdicke 0,2 µm - 10 µm betragen.
• Neben dem ADM-Verfahren sind auch andere bekannte Abscheideverfahren wie CVD (chemical vapor depostion) oder PVD (physical vapor deposition) zum Aufbringen einer Isolationsschicht auf eine Metallfolie möglich.
• Das elektrisch leitende Substrat wird aus einer Metallfolie gebildet. Insbesondere besteht das elektrisch leitende Substrat aus einer Metallfolie.
• Die Metallfolie wird vorzugsweise aus derartigen Materialien gebildet, die bei einer anionischen Oxidation dichte Metalloxidschichten mit einer hohen elektrischen Isolation ausbilden. Dies dient zur Herstellung einer entsprechenden Isolationsschicht. Als Metallfolien sind somit insbesondere Folien aus Aluminium, Stahl, Titan, Niob oder Tantal geeignet. Hinsichtlich der Stahlfolien, sind insbesondere chrom- und aluminiumhaltige Legierungen geeignet.
• Die Metallfolie ist vorzugsweise aus Aluminium (AI) und/oder Stahl und/oder Titan (Ti) und/oder Niob (Nb) und/oder Tantal (Ta) gebildet.
• Der Stahl ist vorzugsweise eine FeCrAI-Legierung, insbesondere X8CRAI20-5 oder FeCr25Al5.
• Die Substratdicke beträgt 0,02 mm - 0,5 mm, insbesondere 0,05 mm - 0,3 mm.
• Aufgrund der Verwendung von Metallfolien zur Herstellung eines elektrisch leitenden Substrates, insbesondere bei Verwendung einer Aluminiumfolie, wird ein Verzug der Metallfolie während des Hochheizens des flexiblen Heizelementes verhindert.
• Das Verwenden einer Metallfolie zur Ausbildung eines elektrisch leitenden Substrates hat weiterhin den Vorteil, dass beispielsweise im Gegensatz zur Verwendung von polymeren Substraten, die Isolationsschicht mittels variabler Verfahren aufgebracht werden kann.
• Da die Metallfolie hohen Temperaturen ausgesetzt werden kann, kann die Isolationsschicht auch mittels derartiger Verfahren aufgebracht werden, die mit einer hohen Temperaturbeaufschlagung einhergehen. Dies ist beispielsweise beim Aufbringen metallhaltiger Pasten der Fall. Derartige Pasten bzw. Sinterpastenschichten sind regelmäßig bei hohen Temperaturen von beispielsweise 1000 °C zu sintern. Aufgrund der Verwendung einer Metallfolie können derartige Temperaturbeaufschlagungen ohne weiteres erfolgen.
• Eine anodisierte Metalloxidschicht unterscheidet sich von einer atmosphärischen Metalloxidschicht durch eine höhere elektrische Isolation. Eine anodisierte Metalloxidschicht kann beispielsweise mittels Eloxieren einer Metalloberfläche erzeugt werden. Mit anderen Worten kann eine Isolationsschicht, die eine anodisierte Metalloxidschicht ist, durch Eloxieren der Metalloberfläche des Substrates hergestellt werden. Aufgrund einer elektrolytischen Oxidation wird die Oberfläche der Metallfolie in eine Metalloxidschicht umgewandelt.
• Ein weiterer Vorteil des Ausbildens einer Isolationsschicht aufgrund eines thermisch oder anodisch oxidierten Substrates betrifft die Verbindung der Isolationsschicht mit dem Substrat. Eine derart erzeugte bzw. bereitgestellte Isolationsschicht weist eine erhöhte Verbindung mit dem Substrat auf, als dies beispielsweise mittels nachträglich aufgebrachter Keramikschichten der Fall ist. Thermisch oxidierte, insbesondere anodisierte, Substrate können auch nach Durchführen des thermischen Oxidierungsverfahrens, insbesondere nach Durchführen eines Anodisier-Verfahrens, mechanisch bearbeitet, insbesondere gestanzt, werden. Bei dieser mechanischen Verarbeitung, insbesondere beim Stanzen, wird die Isolationsschicht nicht weiter beschädigt. Vielmehr wird ein Abplatzen der Isolationsschicht in diesem Fall verhindert.
• Bei einem Eloxal-Verfahren handelt es sich um eine Methode der Oberflächentechnik zum Erzeugen einer oxidischen Schutzschicht durch anodische Oxidation. Dabei wird im Gegensatz zu galvanischen Beschichtungsverfahren, die Schutzschicht nicht auf dem Werkstück niedergeschlagen, sondern durch Umwandlung der obersten Metallschicht ein Oxid bzw. Hydroxid gebildet. Es entsteht eine 5 µm - 25 µm dünne Schicht, die darunterliegende Schichten bzw. Elemente, nämlich das Substrat, schützt und isoliert.
• Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung einer Metalloxidschicht ist ein Hartanodisierungsverfahren. Dabei wird die Metallfolie wie beim Eloxal-Verfahren in einen Elektrolyten getaucht und als Anode geschaltet. Die Oberfläche der Metallfolie wird dabei oxidiert, so dass sich eine Metalloxidschicht ausbildet. In diesem Fall findet ein Volumenzuwachs an der Metallfolie statt.
• Durch entsprechende Auswahl des Materials der Metallfolie des elektrisch leitenden Substrates kann eine entsprechende Auswahl hinsichtlich der darauf auszubildenden Isolationsschicht erfolgen.
• Bei der Verwendung einer Stahlfolie aus einer FeCrAI-Legierung kann eine Oxidation dieser Schicht an Luft bei erhöhter Temperatur ebenfalls eine Metalloxidschicht erzeugen.
• Bei Verwendung einer FeCrAI-Legierung mit einem Aluminiumgehalt von beispielsweise 6% kann in Sauerstoffhaltiger Atmosphäre in einem Ofen bei Oxidationstemperaturen von 1.000 °C bis 1.100 °C eine elektrisch isolierende Isolationsschicht, insbesondere eine elektrisch isolierende Aluminiumoxid-Schicht, von bis zu 5 µm hergestellt werden.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass auch Stahlfolien mit einem geringen CrAI-Anteil verwendet werden, sofern eine derartige Stahlfolie auf mindestens einer Oberfläche bzw. auf mindestens einer Seite alitiert wird. Ein Alitierungsprozess sieht vor, dass eine aluminiumhaltige Schicht auf der Substrat-Metallfolie aufgebracht wird, wobei diese aluminiumhaltige Schicht anschließend bei Temperaturen von 800 °C bis 1.200 °C geglüht wird. Es entstehen dabei dichte Al₂O₃-Schichten mit einer Dicke von > 20 µm. Die Al₂O₃-Schicht liegt dabei in der α-Phase vor. Aufgrund dieses Prozesses wird auf mindestens einer Seite des Substrates eine Isolationsschicht ausgebildet. Bei einer derartigen Isolationsschicht handelt es sich um eine elektrisch isolierende Metalloxidschicht.
• Als ein flexibles Heizelement ist insbesondere ein derartiges Heizelement zu verstehen, das in einer Richtung senkrecht zu einer Vorderseite oder einer Rückseite auslenkbar ist, ohne dass die Auslenkung zu einer wesentlichen Widerstandsveränderung und/oder zu Rissen und/oder Brüchen und/oder ähnlichen Schäden des Heizelements führt.
• Die Flexibilität des Heizelements ist als eine reversible Auslenkung einer Vorderseite oder einer Rückseite des Heizelements bei einem Biegeradius von mindestens 30 mm, insbesondere von mindestens 25 mm, insbesondere von mindestens 20 mm, definiert.
• Die mindestens eine Heizstruktur ist vorzugsweise direkt auf der Isolationsschicht aufgebracht. Mit anderen Worten ist die mindestens eine Heizstruktur direkt auf der vom Substrat wegweisenden Seite der Isolationsschicht aufgebracht. Bei einer derartigen Ausführungsform der Erfindung sind zwischen der Heizstruktur und der vom Substrat wegweisenden Seite der Isolationsschicht keine weiteren Schichten ausgebildet.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steht die Heizstruktur nicht direkt mit dem Substrat in Kontakt. Mit anderen Worten ist die Heizstruktur mittels Ausbilden der Isolationsschicht vom Substrat vollständig elektrisch getrennt. Die Heizstruktur steht vorzugsweise nicht mit dem elektrisch leitenden Substrat in Kontakt.
• Es sind aber auch Ausführungsformen möglich, in denen Haftvermittlerschichten, wie zum Beispiel Titan/Titanoxid- oder Tantal/Tantaloxid-Schichten zwischen der Isolationsschicht und der Heizstruktur ausgebildet sind.
• Vorzugsweise besteht die Heizstruktur aus einer Metallstruktur. Die Heizstruktur weist vorzugsweise einen elektrischen Widerstand von 0,5 bis 30,0 Ω, insbesondere von 0,5 bis 10,0 Ω, auf. Der elektrische Widerstand ist zwischen zwei Anschlüssen der Heizstruktur ausgebildet.
• Die Heizstruktur beschreibt ein derartig strukturiertes Element, das den tatsächlichen Heizvorgang des flexiblen Heizelementes auslöst.
• Die Heizstruktur, die insbesondere aus einer Metallstruktur hergestellt ist, kann eine beliebige Form aufweisen. Beispielsweise ist das Ausbilden einer Heizstruktur in quadratischer Form möglich. Auch das Ausbilden einer Heizstruktur mit einer im Wesentlichen geraden Leitungsstruktur ist möglich.
• Besonders weist die Heizstruktur eine mäandrierende Form auf. Eine derartig mäandrierende Form kann beispielsweise aus einer zusammenhängenden, ineinander verwobenen und/oder ineinander geschachtelten und/oder ineinandergreifenden, Leitungsstruktur gebildet sein.
  Die einzelnen Abschnitte, insbesondere die einzelnen Leitungsabschnitte können relativ dünn ausgebildet sein.
• Die Heizstruktur, die insbesondere in einer mäandrierenden Form vorliegt, kann aufgrund der gebildeten Struktur eine beliebig große Fläche bedecken. Eine derartig große Fläche des zu erwärmenden Gegenstandes führt zu einer homogen erzeugten Flächentemperatur.
• Die Heizstruktur kann aus einer strukturierten Metallfolie gebildet sein. Sofern eine derartige Ausführung hinsichtlich der Heizstruktur vorliegt, kann die Heizstruktur in einem separaten Prozess erzeugt und anschließend auf die Isolationsschicht aufgebracht werden.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Heizstruktur, die vorzugsweise aus einer strukturierten Metallfolie gebildet ist, auf der Isolationsschicht schwimmend aufgelegt werden und mit der Isolationsschicht fixiert sein.
• Des Weiteren ist es möglich, dass die Heizstruktur aus einer metallhaltigen Paste und/oder einer metallhaltigen Tinte hergestellt ist. Eine derartig metallhaltige Paste und/oder Tinte kann im Rahmen eines Aufdruckens, insbesondere im Rahmen eines Siebdruckverfahrens, auf der Isolationsschicht aufgebracht werden.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Heizstruktur aus einer edelmetallhaltigen Paste gebildet. Insbesondere kann es sich bei den Edelmetallen um Platin und/oder Silber und/oder Gold handeln.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Heizstruktur um eine mittels Dünnschichtmetallabscheidung hergestellte Metallstruktur.
• Vorzugsweise weist die mindestens eine Heizstruktur mindestens zwei Kontaktpads auf oder ist mit mindestens zwei Kontaktpads verbunden. Vorzugsweise sind die mindestens zwei Kontaktpads auf der vom Substrat wegweisenden Seite der Isolationsschicht ausgebildet.
• Sofern die Heizstruktur des flexiblen Heizelements keine Kontaktpads aufweist, weist die Heizstruktur mindestens zwei Anschlüsse auf, die jeweils nach außen elektrisch zu verbinden sind.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auf der Heizstruktur, d. h. auf der vom Substrat wegweisenden Seite der Heizstruktur zumindest abschnittsweise eine Passivierungsschicht ausgebildet sein. Bei einer derartigen Passivierungsschicht handelt es sich vorzugsweise um eine Glas- und/oder Keramikschicht. Es ist möglich, dass die Passivierungsschicht Polymer-Materialien, insbesondere vernetzte Polymere, aufweist.
• In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist die Passivierungsschicht mittels ADM (aerosol deposition method)-Verfahren hergestellt.
• Des Weiteren ist es möglich, dass das flexible Heizelement vollständig von einer Passivierungsschicht, insbesondere von einer elektrisch isolierenden Glas- und/oder Keramikschicht, umgeben bzw. in eine derartige Schicht eingekapselt ist. Bei einer derartigen Ausführungsform der Erfindung sind ausgebildete Kontaktpads und/oder Anschlüsse der Heizstruktur von einer derartigen Passivierungsschicht zumindest abschnittsweise freizulassen. Mit anderen Worten sind mindestens die zwei Kontaktpads und/oder mindestens zwei Anschlüsse der Heizstruktur nicht vollständig mit einer Passivierungsschicht beschichtet.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Heizstruktur zwischen zwei Substratabschnitten ausgebildet sein, wobei die zwei Substratabschnitte durch Faltung des Substrates gebildet sind. Eine derartige Ausführungsform der Erfindung ermöglicht eine gute Wärmeübertragung zwischen der Heizstruktur und dem Substrat.
• Des Weiteren ist es möglich, dass die Heizstruktur zwischen zwei Substratabschnitten ausgebildet ist, wobei die Substratabschnitte getrennt voneinander ausgebildet sind. Mit anderen Worten kann die Heizstruktur derart zwischen zwei voneinander getrennten Substratabschnitten ausgebildet sein, dass eine Sandwich-Struktur gebildet ist. Eine derartige Ausbildung von einer zwischen zwei Substratabschnitten ausgebildeten Heizstruktur ist insbesondere bei Verwendung von oxidierten Metallfolien als Substrat möglich.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Substratabschnitte unterschiedlich ausgebildet sein. Dies betrifft beispielsweise die Materialien der Substratabschnitte. Es ist möglich, dass unterschiedlich oxidierte Metallfolien zwei verschiedene Substratabschnitte bilden. Bei einer derartigen Ausführungsform der Erfindung kann das flexible Heizelement konkret an die jeweilige Einbausituation bzw. hinsichtlich des konkreten Anwendungsgebietes spezifizier- und anpassbar sein.
• Sofern eine Heizstruktur zwischen zwei voneinander getrennten Substratabschnitten ausgebildet ist, sind auch zwei Isolierschicht-Abschnitte ausgebildet. Die Isolierschicht-Abschnitte sind getrennt voneinander ausgebildet oder durch Faltung einer einzelnen Isolationsschicht gebildet. Mit anderen Worten ist die Heizstruktur zwischen zwei Isolationsschicht-Abschnitten ausgebildet, wobei die Isolationsschicht-Abschnitte wiederum zwischen zwei Substratabschnitten ausgebildet sind.
• Es ist möglich, dass die Isolationsschicht-Abschnitte mit den Substratabschnitten verschweißt, insbesondere punktuell verschweißt, sind.
• Das erfindungsgemäße flexible Heizelement mit einer Temperaturbeständigkeit von mindestens 250 °C weist aufgrund der erfindungsgemäßen Materialauswahl und der erfindungsgemäßen Schichtdickenauswahl eine flache Bauform auf. Eine derartige flache Bauform ermöglicht die Verwendung des flexiblen Heizelements in baulich begrenzten Anwendungen.
• Mit Hilfe des erfindungsgemäßen flexiblen Heizelements ist es möglich, im Vergleich zu Heizelementen des Standes der Technik, größere Oberflächen, d. h. größere Vorder- und/oder Rückseiten des flexiblen Heizelements auszubilden. Aufgrund derartig großer Oberflächen bzw. großer Vorder- und/oder Rückseiten ist eine gute Wärmeübertragung vom flexiblen Heizelement zu einem zu erwärmenden Gegenstand möglich.
• In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist das flexible Heizelement nicht flach ausgebildet. Das flexible Heizelement kann beispielsweise gebogen sein.
• In einer möglichen Ausführungsform ist das flexible Heizelement zu einem Hohlkörper gebogen. Mit anderen Worten weist das flexible Heizelement die Form eines Hohlkörpers auf, insbesondere die Form eines Zylinders.
• Wenn das flexible Heizelement als Hohlkörper, insbesondere in Form eines Zylinders ausgebildet ist, weist der Hohlkörper einen runden Querschnitt auf. Der Querschnitt beträgt vorzugsweise mindestens 2 mm, insbesondere mindestens 3 mm. Mit Hilfe des flexiblen Heizelements ist es daher möglich, ein derartiges Heizelement zur Verfügung zu stellen, das in kleinen Bauteilen positioniert werden kann. Insbesondere ist es möglich, ein erfindungsgemäßes flexibles Heizelement in einem elektrischen Rauchgerät einzusetzen.
• Um ein flexibles Heizelement im Hohlkörper, insbesondere in Zylinderform, auszubilden, werden beispielsweise zwei Seitenkanten des Substrates zueinander gebogen. Die dann zueinander weisenden Seitenkanten können beispielsweise aneinander anliegend angeordnet sein.
• Des Weiteren ist es möglich, dass die aufgrund der Biegung des flexiblen Heizelements zueinander weisenden Seitenkanten des Substrates überlappend oder voneinander beabstandet ausgebildet sein können. Sofern die zueinander weisenden Seitenkanten voneinander beabstandet ausgebildet sind, wird eine Zylinderform mit einem Längsspalt ausgebildet. Die tatsächliche Anordnung der zueinander weisenden Seitenkanten kann in Abhängigkeit der späteren Einbausituation oder in Abhängigkeit des Anwendungsgebietes des flexiblen Heizelements variabel ausgebildet werden.
• Des Weiteren ist es möglich, sofern das flexible Heizelement gebogen ausgebildet ist, das flexible Heizelement mittels eines Befestigungselementes in der gebogenen Form zu arretieren. Mit anderen Worten kann das flexible Heizelement ein Befestigungselement aufweisen, wobei mittels des Befestigungselementes die gebogene Form des flexiblen Heizelementes beibehalten wird.
• In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Befestigungselement flanschartig ausgebildet sein. Ein derart flanschartiges Befestigungselement kann die Form eines Rings oder einer Hülse aufweisen. Das flanschartige Befestigungselement kann beispielsweise aus Metall oder Keramik gebildet sein. Diese Materialien erweisen sich als besonders temperaturstabil. Aufgrund der Federwirkung des flexiblen Heizelements ist es besonders einfach möglich, dass sich das flexible Heizelement an das flanschartige Befestigungselement anschmiegt, so dass eine einfache Beibehaltung der Form des flexiblen Heizelements ermöglicht wird.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Befestigungselement deckelartig ausgebildet sein. Ein derartiger Deckel bzw. ein deckelartiges Befestigungselement ist vorzugsweise an mindestens einem Ende des gebildeten Hohlkörpers, insbesondere des gebildeten Zylinders, angeordnet. Vorzugsweise wird ein deckelartiges Befestigungselement auf ein Ende des Hohlkörpers, insbesondere des Zylinders, aufgeschoben, so dass das deckelartige Befestigungselement den Hohlkörper, insbesondere den Zylinder, stabilisiert.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die Form des Substrates des flexiblen Heizelements derart anzupassen bzw. auszuwählen, dass in einem gebogenen Zustand des flexiblen Heizelements, d. h. bei Bildung eines Hohlkörpers, insbesondere eines Zylinders, entsprechende Öffnungen, insbesondere Schlitze, im Hohlkörper, insbesondere im Zylinder, erzeugt werden.
• Beispielsweise ist es möglich, dass das Substrat des flexiblen Heizelements seitliche Ausnehmungen aufweist. Beispielsweise kann das Substrat des flexiblen Heizelements einen mäandrierenden Seitenkantenverlauf aufweisen. Die seitlichen Ausnehmungen des Substrats des flexiblen Heizelements können sich dabei bis zur Substratmitte erstrecken.
• Des Weiteren ist es möglich, dass seitliche Ausnehmungen des Substrates auf gegenüberliegenden Seitenkanten des Substrates derart ausgebildet sind, dass sich diese abwechselnd bis zur Substratmitte oder über die Substratmitte hinaus erstrecken.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass ein gebogenes flexibles Heizelement, insbesondere ein hohlkörperartiges, insbesondere ein zylinderartiges, flexibles Heizelement in einer Hülse angeordnet ist. Eine derartige Hülse kann auch als Deckhülse bezeichnet werden. Die Hülse ist vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder Stahl gebildet. Eine derartige Hülse, insbesondere eine derartige Deckhülse, schützt das flexible Heizelement.
• Die flexible Ausgestaltung erlaubt einen verbesserten Wärmekontakt zwischen dem flexiblen Heizelement und einem zu heizenden Gegenstand mit unebener Oberfläche und damit ein schnelles und energieeffizientes Aufheizen des Gegenstandes.
• Die Ausbildung einer Isolationsschicht aus den angegebenen Materialien sowie mit den angegebenen Schichtdicken ermöglicht ein schnelles und energieeffizientes Aufheizen des Substrates.
• Aufgrund der Material- und/oder Schichtdickenauswahl im Zusammenhang mit dem flexiblen Heizelement weist das Heizelement außerdem eine geringe thermische Masse auf, so dass ein schnelles und energieeffizientes Aufheizen des Heizelements ermöglicht wird.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen flexiblen Heizelements. Bezüglich einzelner Verfahrensaspekte wird auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Heizelement verwiesen. Im vorangegangenen Teil der Beschreibung sind bereits einzelne Aspekte hinsichtlich der Herstellung des Heizelementes enthalten.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Heizelements umfasst die Schritte:
1. a) Bereitstellen eines Substrates, das aus einer Metallfolie gebildet ist,
2. b) Ausbilden mindestens einer Isolationsschicht auf mindestens einer Seite des Substrates, und
3. c) Aufbringen einer Heizstruktur auf die vom Substrat wegweisenden Seite der Isolationsschicht.
• Im Schritt b) wird zur Ausbildung der Isolationsschicht:
• - mittels eines Eloxierverfahrens oder Hartanodisierverfahrens eine anodisierte Metalloxidschicht hergestellt, oder
• - ein Oxidierungsverfahren bei einer Oxidationstemperatur von mindestens 800 °C durchgeführt, oder
• - auf mindestens eine Seite des Substrats eine Aluminiumschicht aufgebracht und anschließend mittels Oxidation bei Temperaturen von 800 °C bis 1.200 °C eine Aluminiumoxidschicht hergestellt, oder
• - eine elektrisch isolierende Schicht mittels ADM-Verfahren oder CVD-Verfahren oder PVD-Verfahren auf mindestens einer Seite des Substrates aufgebracht.
• Im Schritt c) wird zum Aufbringen der Heizstruktur:
• - ein strukturiertes Metallelement, insbesondere ein strukturiertes Metallfolienelement, auf die Isolationsschicht aufgebracht, oder
• - mittels einer Dünnschichtmetallabscheidung die Heizstruktur auf der Isolationsschicht gebildet, oder
• - mittels Aufdrucken einer metallhaltigen Paste oder einer metallhaltigen Tinte die Heizstruktur auf der Isolationsschicht gebildet.
• In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, auf die Heizstruktur zumindest abschnittsweise eine Passivierungsschicht aufzubringen.
• Vorzugsweise wird auf die vollständige Oberseite der Heizstruktur eine Passivierungsschicht aufgebracht. Sofern die Heizstruktur Kontaktpads aufweist, sind die Kontaktpads höchstens abschnittsweise mit einer Passivierungsschicht versehen. Vorzugsweise sind die Kontaktpads vollständig passivierungsschichtfrei ausgebildet. Dies ermöglicht es, die Kontaktpads entsprechend einfach elektrisch zu kontaktieren.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Heizelements zeichnet sich durch eine besonders einfache Methodik und eine kostengünstige Durchführung aus.
• In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schritte a) bis c) auf einem Substratband und/oder einer Substratplatte durchgeführt.
• Auf dem Substratband und/oder der Substratplatte werden die Formen von einzelnen Substraten eingebracht. Hierzu werden die Substrate an den Seiten vom Substratband und/oder der Substratplatte getrennt. An Ecken und/oder einzelnen Seitenabschnitten werden die Substrate nicht vom Substratband und/oder der Substratplatte gelöst, so dass die einzelnen Substrate weiterhin mit dem Substratband und/oder der Substratplatte verbunden sind.
• In dieser dann vorliegenden Form können die einzelnen Substrate weiterprozessiert werden, so dass die Schritte b) und c) gemeinsam durchgeführt werden können.
• Abschließend erfolgt ein Trennen der einzelnen Substrate vom Substratband und/oder der Substratplatte.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Heizelements kann außerdem den Schritt d) umfassen. Im Schritt d) kann das Substrat hinsichtlich seiner Formgebung mechanisch bearbeitet werden. Im Schritt d) kann ein Zuschneiden und/oder Stanzen des Substrates erfolgen. Der Schritt d) kann zwischen den Schritten b) und c) durchgeführt werden.
• Alternativ ist es möglich, dass der Schritt d) nach dem Schritt c) durchgeführt wird. Mit anderen Worten kann eine mechanische Bearbeitung des Substrates auch nach dem Aufbringen einer Heizstruktur auf die Isolationsschicht durchgeführt werden Eine derartige Ausführung des Schrittes d) ist insbesondere dann möglich, wenn die Isolationsschicht aufgrund eines Oxidierungsverfahren aus dem Substrat gebildet wird. Insbesondere ist dies möglich, sofern ein thermisches Oxidierungsverfahren oder ein Eloxierverfahren zur Herstellung der Isolationsschicht angewandt wird.
• Aufgrund der Möglichkeit des Durchführens des Schrittes d) ist es möglich, die Gestalt des flexiblen Heizelements variabel gestalten zu können, wobei keine Einschränkungen dahingehend bestehen, als dass die Formgebung bereits bei der Herstellung des Substrates beachtet werden muss.
• Dies vereinfacht die Herstellung eines erfindungsgemäßen Heizelementes.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines erfindungsgemäßen flexiblen Heizelements. Die erfindungsgemäße Verwendung sieht eine Verwendung des flexiblen Heizelements in Kombination mit einem Temperatursensor und/oder in Kombination mit einem Temperatursensorchip und/oder in einem elektrischen Rauchgerät vor.
• Es ist möglich, das erfindungsgemäße flexible Heizelement als Temperatursensor zu verwenden. In einem derartigen Verwendungsfall wird der Widerstand der Heizstruktur gemessen, wobei mittels einer Temperatur-Widerstands-Kennlinie die zu messende Temperatur detektiert werden kann.
• Des Weiteren ist es möglich, dass das flexible Heizelement einen Temperatursensor aufweist. Der Temperatursensor kann auf der Isolationsschicht des flexiblen Heizelements angeordnet sein. Es ist möglich, dass der Temperatursensor in Form einer Metallstruktur, insbesondere in Form einer Platinstruktur ausgebildet ist.
• Des Weiteren ist es möglich, dass ein Temperatursensorchip auf und/oder in dem flexiblen Heizelement integriert ausgebildet ist.
• Das erfindungsgemäß flexible Heizelement ist besonders zum Erwärmen und Temperieren von Gegenständen jeglicher Art nutzbar. Dies ist auf die vorteilhafte flexible und zugleich temperaturbeständige Ausbildung des flexiblen Heizelements zurückzuführen.
• Besonders bevorzugt kann das flexible Heizelement zum schnellen Erwärmen von flachen Gegenständen mit kleiner Masse oder von Flüssigkeiten verwendet werden. Das flexible Heizelement kann in einem derartigen Fall gegen die (flache) Oberfläche des zu erwärmenden Gegenstandes gepresst werden, um eine effektive Wärmeübertragung zu ermöglichen.
• Aufgrund der flachen und flexiblen Bauform des flexiblen Heizelements kann das erfindungsgemäße Heizelement auch in Anordnungen eingesetzt werden, die nicht mit dicken oder starren Heizelementen in Kontakt gebracht werden sollten. Beispielhaft ist die Verwendung der flexiblen Heizelemente in Zellpaketen, wie Brennstoffzellen oder Batteriepacks zu nennen.
• Des Weiteren ist es möglich, das erfindungsgemäße Heizelement auf elektronische Komponenten wie Halbleiter oder Sensoren aufzubringen. Elektronische Komponenten wie Halbleiter oder Sensoren können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Heizelements auf eine gewünschte Betriebstemperatur erwärmt und anschließend die entsprechende Betriebstemperatur aufrechterhalten werden.
• Eine weitere Verwendung eines erfindungsgemäßen flexiblen Heizelementes ist die Verwendung in Kombination mit Textilien und/oder Bekleidungsstücken.
• Des Weiteren ist eine Verwendung des flexiblen Heizelementes als Heizkopf und/oder Heizleiste zum Laminieren oder Verschweißen von Kunststoffen möglich.
• Des Weiteren kann ein erfindungsgemäßes flexibles Heizelement in einem elektrischen Rauchgerät verwendet werden. Vorzugsweise handelt es sich um ein elektrisches Rauchgerät zum verbrennungsfreien Rauchen von pflanzlichen Stoffen, wie z. B. Tabak, oder Flüssigkeiten Bei den Flüssigkeiten kann es sich beispielsweise um nikotinhaltige Lösungen handeln.
• Sofern das elektrische Rauchgerät zum verbrennungsfreien Rauchen von pflanzlichen Stoffen dienen soll, werden pflanzliche Stoffe zu einem Pad gepresst und mit Hilfsstoffen, wie z. B. Glycerin, versetzt. Ein derartiges Pad wird dabei auf ein flexibles Heizelement des elektrischen Rauchgerätes gelegt und aufgrund eines mechanischen Verschlusses auf das flexible Heizelement gedrückt.
• Aufgrund der Flexibilität des Heizelementes passt sich das Heizelement an die Oberflächenform des Pads an und bildet einen guten Wärmekontakt. Das flexible Heizelement wird auf Temperaturen von bis zu 300 °C elektrisch erhitzt, um die Inhaltsstoffe des Pads verbrennungsfrei extrahieren zu können.
• Da das flexible Heizelement keine Polymere oder andere organische Verbindungen aufweist, werden beim Erhitzen des flexiblen Heizelements keine organischen Zersetzungsprodukte erzeugt, die der Inhalation der erzeugten Aerosole abträglich sind.
• Sofern das elektrische Rauchgerät zum verbrennungsfreien Rauchen von Flüssigkeiten dient, wird die Flüssigkeit aus einem Reservoir in Richtung der Oberfläche des flexiblen Heizelementes transportiert und dort verdampft. Insbesondere gelangt die Flüssigkeit mit Hilfe eines Dochts oder eines porösen Körpers vom Reservoir auf die Oberfläche des flexiblen Heizelements.
• Im Folgenden werden gemäß Ausführungsformen 1 bis 5 verschiedene flexible Heizelemente sowie verschiedene Verfahren zur Herstellung dieser flexiblen Heizelemente angegeben.
• Ausführungsform 1:
• Das flexible Heizelement umfasst ein elektrisch leitendes Substrat, das aus einer eloxierten Aluminiumfolie gebildet ist. Das Substrat weist eine Substratdicke von 100 µm auf. Die Isolationsschicht wird aus der Aluminiumoxidschicht gebildet. Die Isolationsschichtdicke beträgt ca. 5 µm. Die Aluminiumoxidschicht weist eine hohe elektrische Isolation zwischen der Oberfläche des Oxids und dem metallischen Kern der Metallfolie auf. Dies trifft insbesondere bei niedrigen elektrischen Spannungen zu.
• Die Heizstruktur ist aus einer Metallfolie, konkret einer Nickel-Chrom (NiCr)-Folie gebildet. Die Heizelementdicke beträgt ca. 50 µm. Die Heizstruktur ist derart ausgebildet, dass aus der Nickel-Chrom-Folie (spezifischer Widerstand Ro=132 µΩ * cm) ein Mäander mit einer Linienbreite von 1 mm und einer Länge von 50 mm ausgestanzt ist. An den jeweiligen Enden der Heizstruktur, d. h. an den Anschlüssen, befinden sich Kontaktpads. Diese Kontaktpads weisen eine Breite von 5 mm auf. Zwischen den beiden Kontaktpads liegt ein elektrischer Widerstand von 1,3 Ω an.
• Nach Herstellung der Heizstruktur wird die Heizstruktur auf die vom Substrat wegweisende Seite der Isolationsschicht (Aluminiumoxidschicht) gelegt. Anschließend wird die Metallfolie (Aluminiumfolie) gefaltet, so dass die Heizstruktur zwischen zwei Substratabschnitten ausgebildet bzw. angeordnet ist. Die Heizstruktur liegt lose in einer Tasche aus eloxierter Aluminiumfolie und ist in dieser Tasche frei verschiebbar.
• Die derart vorliegende Struktur kann gewölbt werden, um die Heizstruktur in der gebildeten Substrattasche zu fixieren. Des Weiteren wird aufgrund der Wölbung eine gute Wärmeübertragung zwischen der Heizstruktur und dem Substrat gewährleistet.
• Ausführungsform 2:
• Der Aufbau des Substrates sowie der Isolationsschicht entspricht dem Aufbau gemäß Ausführungsform 1.
• Die Heizstruktur ist aus einer Eisennickel (FeNi)-Folie (Ro=72 µΩ * cm) gefertigt.
  Der elektrische Widerstand der Heizstruktur beträgt folglich 0,72 Ω. Der Vorteil einer derartigen Materialauswahl im Zusammenhang mit der Heizstruktur besteht darin, dass Eisennickel einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweist und die Heizstruktur folglich selbstregulierende Eigenschaften aufweist.
• Das bedeutet, dass der elektrische Widerstand der Heizstruktur mit zunehmender Temperatur ansteigt und eine Überhitzung der Heizstruktur verhindert wird.
• Ausführungsform 3:
• Das Substrat und die Isolationsschicht sind gemäß dem in Ausführungsform 1 beschriebenen Aufbau hergestellt. Die Heizstruktur wird mittels Siebdruck hergestellt. Hierzu wird eine Silbersinterpaste durch ein Sieb auf eine der vom Substrat wegweisenden Seite der Isolationsschicht aufgebracht. Die Silbersinterpaste kann des Weiteren Metalloxide und/oder organische Komponenten und/oder gemahlene Glasfritte aufweisen.
• Die Silbersinterpaste wird anschließend bei einer Temperatur von ca. 400 °C eingebrannt. Aufgrund der Verwendung einer Metallfolie, insbesondere einer Aluminiumfolie, als elektrisch leitendes Substrat ist eine Beaufschlagung mit einer derartigen Temperatur möglich.
• Ausführungsform 4:
• Gemäß dieser Ausführungsform wird als Substrat ein sogenanntes KAT-Blech verwendet. Ein derartiges Blech ist aus einer Eisen-Chrom-Aluminium (FeCrAI)-Legierung gebildet. Zur Ausbildung einer Isolationsschicht wird das KAT-Blech bei über 1.000 °C oxidiert. Die Kanten des Bleches sind somit ebenfalls oxidiert. Die Heizstruktur kann anschließend als Silbersinterpaste auf die Isolationsschicht aufgebracht werden.
• Ausführungsform 5:
• Ausführungsform 5 sieht ebenfalls die Verwendung eines KAT-Bleches vor. Die einzelnen Substrate, die vorzugsweise eine rechteckige Form aufweisen, werden aus einem Nutzen, bestehend aus einer Folie aus KAT-Blech, getrennt, ohne diese vollständig aus dem Nutzen zu lösen. Eine derartige Anordnung wird hergestellt, indem die einzelnen Substrate an ihren Seiten von dem Nutzen getrennt werden. An den Ecken bleiben die einzelnen Substrate mit dem Nutzen verbunden.
• Die Substrate können in dieser Anordnung, d. h. im mit dem Nutzen verbundenen Zustand weiterprozessiert werden. Insbesondere kann das Eloxieren sowie das Aufbringen einer Heizstruktur auf die einzelnen Substrate in einem einzelnen Schritt für alle Substrate erfolgen. Die Trennung der Substrate vom Nutzen kann beispielsweise mittels Stanzen und/oder Laserschneiden erfolgen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
• In diesen zeigen:
• 1a ein erfindungsgemäßes flexibles Heizelement in einer Draufsicht;
• 1b das flexible Heizelement in einer Seitenansicht; und
• 2 eine weitere Ausführungsform hinsichtlich eines flexiblen Heizelements.
• Das erfindungsgemäße flexible Heizelement 10 umfasst im Wesentlichen fünf Schichten bzw. Elemente.
• Das Heizelement 10 weist ein Substrat 15, eine Isolationsschicht 20, eine Heizstruktur 30, Kontaktpads 31 und 32 sowie eine Passivierungsschicht 40 auf.
• Das flexible Heizelement 10 weist eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 250 °C auf.
• Das elektrisch leitende Substrat 15 ist aus einer Metallfolie gebildet. Das Substrat weist eine erste Seite 16, die nach oben weist, sowie eine zweite Seite 17, die nach unten weist, auf.
• Auf der ersten Seite 16 des Substrates 15 ist eine Isolationsschicht 20 ausgebildet. Die Isolationsschicht 20 weist wiederum eine erste Seite 21 und eine zweite Seite 22 auf.
  Die zweite Seite 22 liegt dabei auf dem Substrat 15 an. Die erste Seite 21 der Isolationsschicht 20 weist hingegen von dem Substrat 15 weg.
• Auf der vom Substrat 15 wegweisenden Seite 21 der Isolationsschicht 20 ist eine Heizstruktur 30 ausgebildet. Die Heizstruktur 30 weist eine mäandrierende Form auf. Vorzugsweise ist diese Heizstruktur 30 als ein strukturiertes Metallfolienelement ausgebildet. Dieses Metallfolienelement 30 kann auf die erste Seite 21 der Isolationsschicht 20 aufgebracht werden.
• Auf der vom Substrat 15 bzw. der Isolationsschicht 20 wegweisenden Seite 33 der Heizstruktur ist zusätzlich eine Passivierungsschicht 40 aufgetragen. Aufgrund der mäandrierenden Form der Heizstruktur 30 gelangt die Passivierungsschicht 40 außerdem auf die nicht mit einer Heizstruktur 30 bedeckten Abschnitte der Seite 21 der Isolationsschicht 20.
• Die Heizstruktur 30 weist an beiden Enden Kontaktpads 31 und 32 auf bzw. ist mit diesen Kontaktpads 31 und 32 verbunden. Die Passivierungsschicht 40 deckt die Heizstruktur vollständig ab. Des Weiteren werden die Kontaktpads 31 und 32 teilweise von der Passivierungsschicht 40 abgedeckt.
• Die dargestellte Heizelementdicke DH beträgt weniger als 1,0 mm. Das Substrat 15 weist eine Substratdicke DS von 0,02 mm bis 0,5 mm auf. Die Isolationsschicht 20 weist eine Isolationsschichtdicke DI von 0,2 µm bis 30 µm auf.
  Das Heizelement 10 ist flexibel ausgebildet, wobei die Flexibilität des Heizelements 10 als eine relative Auslenkung der Vorderseite 11 oder der Rückseite 12 des Heizelements 10 bei einem Biegeradius von mindestens 30 mm, insbesondere von mindestens 25 mm, insbesondere von mindestens 20 mm, definiert ist.
• Das erfindungsgemäße flexible Heizelement wird gemäß folgender Verfahrensschritte hergestellt:
1. a) Zunächst wird das Substrat 15, das aus einer Metallfolie gebildet ist, bereitgestellt. Als Metallfolien werden bevorzugt Folien aus Materialien verwendet, die bei einer anionischen Oxidation dichte Metalloxidschichten mit einer hohen elektrischen Isolation ausbilden. Als Metallfolien sind besonders Folien aus Aluminium, Stahl, Titan, Niob oder Tantal geeignet. Bei Stahlfolien sind insbesondere chrom- und aluminiumhaltige Legierungen geeignet. Dabei handelt es sich beispielsweise um FeCrAI-Legierungen.
2. b) In diesem Schritt wird mindestens eine Isolationsschicht auf der ersten Seite 16 des Substrates 15 ausgebildet. Die Isolationsschicht 20 wird beispielsweise durch anionische Oxidation hergestellt. Bei einer derartigen Isolationsschicht 20 handelt es sich um eine anodisierte Metalloxidschicht.
3. c) Im diesem Schritt wird die Heizstruktur 30 auf die vom Substrat 20 wegweisende Seite 21 der Isolationsschicht 20 aufgebracht. Die Heizstruktur 30 kann in einem vorgelagerten Verfahren durch Herstellung eines strukturierten Metallfolienelementes bereitgestellt werden. Dieses kann nachfolgend auf die Seite 21 der Isolationsschicht 20 aufgebracht werden.
• Die Kontaktpads 31 und 32 können als Abschnitt der Heizstruktur 30 ausgebildet werden. Alternativ ist es möglich, dass die Kontaktpads 31 und 32 als separate Elemente bzw. Bauteile zur Verfügung gestellt werden.
• Es ist beispielsweise möglich, dass die Kontaktpads 31 und 32 aus Sinterpastenmaterial gebildet werden. Ein derartiges Sinterpastenmaterial wird auf die Seite 21 der Isolationsschicht 20 aufgebracht. Sofern es sich bei den Kontaktpads 31 und 32 um separate Bauteile handelt, muss die Heizstruktur 30 mit den Kontaktpads 31 und 32 verbunden werden.
• Abschließend wird eine Passivierungsschicht 40 auf die nach oben weisende Seite 33 der Heizstruktur 30 aufgebracht. Auch die Kontaktpads 31 und 32 werden teilweise mit der Passivierungsschicht 40 beschichtet.
• In 2 wird eine alternative Ausführungsform hinsichtlich eines Heizelementes 10 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass ein Heizelement 10 auch mehrere Substratabschnitte, nämlich einen ersten Substratabschnitt 15a sowie einen zweiten Substratabschnitt 15b, aufweisen kann. Die dargestellten Substratabschnitte 15a und 15b sind getrennt voneinander ausgebildet. Die Substratabschnitte 15a und 15b können aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein.
• Auf jeweils einer ersten Seite 16 des jeweiligen Substratabschnittes 15a und 15b ist wiederum ein Isolationsschichtabschnitt 20a bzw. 20b ausgebildet. Bei der jeweils ersten Seite 16 des Substratabschnittes handelt es sich um die nach innen gerichteten Seiten. Die zweiten Seiten 17 der Substratabschnitte 15a und 15b weisen jeweils nach außen und bilden somit die äußeren Oberflächen des Heizelementes.
• In 2 ist dargestellt, dass das flexible Heizelement 10 gebogen sein kann. Insbesondere kann das Heizelement 10 derart weitergebogen werden, dass das Heizelement 10 die Form eines zylindrischen Hohlkörpers bildet. In Abhängigkeit davon, inwiefern die Seitenkanten 18 der Substratabschnitte 15a und 15b voneinander beabstandet sind oder beispielsweise überlappend ausgebildet sind, kann der Hohlkörper, insbesondere der zylindrische Hohlkörper, auch eine schlitzförmige Ausnehmung aufweisen.
• Zwischen den beiden Isolationsschichtabschnitten 20a und 20b ist die Heizstruktur 30 ausgebildet. Aufgrund der in 2 dargestellten Ausbildung wird eine Art Sandwichanordnung eines Heizelementes 10 gebildet. Die Heizstruktur 30 ist derart von den elektrisch leitenden Substratabschnitten 15a und 15b angeordnet, dass diese nicht aneinander liegen bzw. nicht direkt im elektrischen Kontakt zueinander sind.
• Die Heizstruktur 30 ist derart zwischen den Isolationsschichtabschnitten 20a und 20b eingebettet, dass die Isolationsschichtabschnitte 20a und 20b jeweils an den ersten Seiten 21 zueinander weisen oder zumindest abschnittsweise aneinander anliegen.
• Die einzelnen Schichten des Heizelementes 10 können beispielsweise durch die dargestellten Schweißpunkte 50 miteinander verbunden sein. Ein wie in 2 dargestelltes flexibles Heizelement 10 eignet sich besonders zur Anwendung in einem elektrischen Rauchgerät.
• Bezugszeichenliste

10

Heizelement

11

Vorderseite Heizelement

12

Rückseite Heizelement

15

Substrat

15a, 15b

Substratabschnitte

16

erste Seite Substrat

17

zweite Seite Substrat

18

Seitenkante

20

Isolationsschicht

20a, 20b

Isolationsschichtabschnitte

21

erste Seite Isolationsschicht

22

zweite Seite Isolationsschicht

30

Heizstruktur

31

erstes Kontaktpad

32

zweites Kontaktpad

33

Seite Heizstruktur

40

Passivierungsschicht

50

Schweißpunkt

DH

Dicke Heizelement

DS

Dicke Substrat

DI

Dicke Isolationsschicht

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• US 2018/0093455 A1 [0002]
• US 5408574 A [0003]

Claims (15)

1. Flexibles Heizelement (10) mit einer Temperaturbeständigkeit von mindestens 250 °C, insbesondere von mindestens 300 °C, umfassend: - ein elektrisch leitendes Substrat (15), gebildet aus einer Metallfolie, - eine auf mindestens einer Seite (16) des Substrats (15) ausgebildete Isolationsschicht (20), und - eine auf der vom Substrat (15) wegweisenden Seite (21) der Isolationsschicht (20) ausgebildeten Heizstruktur (30), wobei das Heizelement (10) eine Heizelementdicke (DH) von weniger als 1,0 mm, das Substrat (15) eine Substratdicke (DS) von 0,02 mm - 0,5 mm und die Isolationsschicht (20) eine Isolationsschichtdicke (DI) von 0,2 µm - 30 µm aufweist.
2. Flexibles Heizelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (20) eine Metalloxidschicht, insbesondere eine anodisierte Metalloxidschicht, oder eine Metallnitridschicht oder eine Metalloxidnitridschicht, ist.
3. Flexibles Heizelement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (20) Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Aluminiumtitantat (Al₂TiO₅) und/oder Titandioxid (TiO₂) und/oder Siliziumdioxid (SiO₂) und/oder Siliziumoxid (SiO) und/oder Magnesiumoxid (MgO) und/oder Magnesiumtitanat (MgTiO₃) und/oder eine binäre Zirkondioxid-Legierung und/oder eine ternäre Zirkoniumdioxid-Legierung und/oder Bornitrid (BN) und/oder Aluminiumnitrid (AIN) und/oder Siliziumnitrid (Si₃N₄) aufweist.
4. Flexibles Heizelement (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (20) mittels ADM-Verfahren (Aerosol-Desposition-Method) hergestellt ist.
5. Flexibles Heizelement (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flexibilität des Heizelements (10) als eine reversible Auslenkung einer Vorderseite (11) oder einer Rückseite (12) des Heizelements (10) bei einem Biegeradius von mindestens 30 mm, insbesondere von mindestens 25 mm, insbesondere von mindestens 20 mm, definiert ist.
6. Flexibles Heizelement (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie aus Aluminium (AI) und/oder Stahl und/oder Titan (Ti) und/oder Niob (Nb) und/oder Tantal (Ta) gebildet ist.
7. Flexibles Heizelement (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl eine FeCrAI-Legierung, insbesondere X8CRAI20-5 oder FeCr25Al5, ist.
8. Flexibles Heizelement (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Heizstruktur (30) direkt auf der Isolationsschicht (20) aufgebracht ist.
9. Flexibles Heizelement (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Heizstruktur (30) zwischen zwei Substratabschnitten ausgebildet ist, wobei die zwei Substratabschnitte durch Faltung des Substrates (15) gebildet sind.
10. Flexibles Heizelement (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Heizstruktur (30) mindestens zwei Kontaktpads (31, 32) aufweist oder mit mindestens zwei Kontaktpads (31, 32) verbunden ist, wobei die mindestens zwei Kontaktpads (31, 32) auf der vom Substrat (15) wegweisenden Seite (21) der Isolationsschicht (20) ausgebildet sind.
11. Verfahren zur Herstellung eines Heizelements (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Substrates (15), das aus einer Metallfolie gebildet ist, b) Ausbilden mindestens einer Isolationsschicht (20) auf mindestens einer Seite (16) des Substrates (15), und c) Aufbringen einer Heizstruktur (30) auf die vom Substrat (20) wegweisenden Seite (21) der Isolationsschicht (20).
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) zur Ausbildung der Isolationsschicht (20) - mittels eines Eloxierverfahrens oder Hartanodisierverfahrens eine anodisierte Metalloxidschicht hergestellt wird, oder - ein Oxidierungsverfahren bei einer Oxidationstemperatur von mindestens 800 °C durchgeführt wird, oder - auf mindestens einer Seite (16) des Substrats (15) eine Aluminiumschicht aufgebracht und anschließend mittels Oxidation bei Temperaturen von 800 °C - 1.200°C eine Aluminiumoxidschicht hergestellt wird, oder - eine elektrisch isolierende Schicht mittels ADM-Verfahren oder CVD-Verfahren oder PVD-Verfahren auf mindestens einer Seite (16) des Substrates (15) aufgebracht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) zum Aufbringen der Heizstruktur (30) - ein strukturiertes Metallelement, insbesondere ein strukturiertes Metallfolienelement, auf die Isolationsschicht (20) aufgebracht wird, oder - mittels einer Dünnschichtmetallabscheidung die Heizstruktur (30) auf der Isolationsschicht (20) gebildet wird, oder - mittels Aufdrucken einer metallhaltigen Paste oder einer metallhaltigen Tinte die Heizstruktur (30) auf der Isolationsschicht (20) gebildet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch zumindest abschnittsweise Aufbringen einer Passivierungsschicht (40) auf die Heizstruktur (30).
15. Verwendung eines flexiblen Heizelements (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, in Kombination mit einem Temperatursensor und/oder in Kombination mit einem Temperatursensorchip und/oder in einem elektrischen Rauchgerät.

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