EP3855952A1 - Heizelement für ein system zur bereitstellung eines inhalierbaren aerosols - Google Patents

Heizelement für ein system zur bereitstellung eines inhalierbaren aerosols

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Publication number
EP3855952A1
EP3855952A1 EP19765752.1A EP19765752A EP3855952A1 EP 3855952 A1 EP3855952 A1 EP 3855952A1 EP 19765752 A EP19765752 A EP 19765752A EP 3855952 A1 EP3855952 A1 EP 3855952A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
base body
heating structure
heating element
heating
providing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19765752.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Asmus
Stefan Dietmann
Matthias Muziol
Karlheinz Wienand
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yageo Nexensos GmbH
Original Assignee
Heraeus Nexensos GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heraeus Nexensos GmbH filed Critical Heraeus Nexensos GmbH
Publication of EP3855952A1 publication Critical patent/EP3855952A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24F—SMOKERS' REQUISITES; MATCH BOXES; SIMULATED SMOKING DEVICES
    • A24F40/00—Electrically operated smoking devices; Component parts thereof; Manufacture thereof; Maintenance or testing thereof; Charging means specially adapted therefor
    • A24F40/40—Constructional details, e.g. connection of cartridges and battery parts
    • A24F40/46—Shape or structure of electric heating means
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D23/00—Producing tubular articles
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B3/44—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor arranged within rods or tubes of insulating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/602—Making the green bodies or pre-forms by moulding
    • C04B2235/6022—Injection moulding

Definitions

  • Heating element for a system for providing an inhalable aerosol
  • the present invention relates to a heating element and a method for producing a heating element for a system for providing an inhalable aerosol. Furthermore, the present invention relates to a system for providing an inhalable aerosol and an evaporator unit for such a system.
  • Systems with heating elements for providing inhalable aerosols which heat a substance for forming the aerosol are known from the prior art. These systems are often referred to as electronic cigarettes, or just as e-cigarettes. Such systems typically have a mouthpiece and an evaporator unit which comprises a heating element.
  • the substance can comprise a nicotine-containing product, such as tobacco or a tobacco-like product, and can be liquid, gaseous or solid. However, a nicotine-free substance can also be provided.
  • the aerosol that forms can then be directed past a body containing nicotine or with nicotine, or flood the body in order to add nicotine to the aerosol.
  • the substance is not burned like in a conventional cigarette, but only heated to obtain the inhalable aerosol.
  • the heating element in this case heats the substance in a temperature range of approximately 200 ° C. to 400 ° C., so that the inhalable aerosol arises which can be inhaled by the user of the system.
  • lance-shaped, tubular or rod-shaped heating elements are known from the prior art.
  • the substance for forming the aerosol is brought into contact with these heating elements.
  • a tubular heating element is described in US5665262A, which is formed from a metal sleeve, an insulation layer on the metal sleeve and a resistance element applied thereon.
  • JP2014216287A describes a heating element which is formed from a thin aluminum tube with an oxidized surface. A heating wire is wrapped around the thin aluminum tube.
  • US20170215474A1 describes a tubular heating element with a perforated aluminum cylinder as a thermal contact mediator between a NiCd heating wire which is wound around the aluminum cylinder.
  • the tubular heating element is filled with the substance to form the aerosol.
  • DE1020161 15574A1 describes a tubular heating element with a carrier material made of glass or a glass ceramic and with metallic heating conductor structures.
  • US6222166B1 describes a metal heating element with a high coefficient of thermal expansion of> 16x10E-16 / ° C, e.g. the material may be an aluminum material with a dielectric layer, e.g. AI203, and a thick-film resistance heater applied to it.
  • the heating elements known from the prior art have the disadvantage that these heating elements can only be produced with increased manufacturing outlay and that comparatively expensive materials have to be used to construct the heating elements.
  • the object of the present invention is therefore to provide an improved heating element and a method for producing such an improved heating element which overcome the disadvantages of the prior art.
  • the heating element according to the invention for a system for providing an inhalable aerosol has for this purpose:
  • a heating structure arranged on the base body
  • the base body ideally has high temperature stability and high thermal conductivity. Furthermore, at least the surface of the base body has an electrically insulating material with good electrically insulating properties.
  • the electrically insulating material can comprise, for example, an aluminum oxide material, an anodized aluminum material, or a steel coated with glass slip, in particular a steel sleeve coated with glass slip.
  • heating structure can be understood to mean a heating resistor which is arranged on the base body and, in its simplest version, has a metal wire, also called a heating conductor.
  • the heating structure can also be designed in the form of a conductor track which, for example, runs in a meandering shape. When a current flows through the conductor track, the intrinsic resistance of the conductor track generates heat. Depending on the current flowing through the conductor track, the heating power of the heating structure can be determined.
  • the heating structure can be arranged on the outside of the base body.
  • the heating structure can be arranged, for example, by screen printing and / or tape casting, or as a free-standing structure on the base body.
  • cover layer can be understood to mean an electrically insulating layer, such as, for example, a glass material, which is burned onto the base body and the heating structure.
  • the firing can take place at at least 850 ° C for at least 1 hour.
  • the covering layer can also be an injection molded part made of temperature-resistant plastic, which is pressed onto the base body and the heating structure and fixes the heating structure on the base body.
  • the invention is based on the surprising finding that simple and inexpensive manufacture of the heating element according to the invention can be achieved.
  • the base body is tubular.
  • the tube can have a diameter of less than or equal to 20 mm and have a round, ellipsoid, three or more angles cross section.
  • the heating structure and the covering layer are configured in a correspondingly tubular manner.
  • the substance for forming the aerosol can be arranged, for example, in the middle of the tube.
  • the base body comprises an aluminum oxide material, an anodized aluminum material, or a steel coated with glass slip, in particular a steel sleeve coated with glass slip.
  • a base body made of an aluminum oxide material or an anodized aluminum material offers a cheap starting material with very good thermal properties.
  • a base body made of steel can be provided, which is coated with glass slip.
  • the base body comprises:
  • an anodized aluminum foil preferably with a thickness of 0.1 to 0.7 mm, the anodized aluminum foil with the heating structure arranged thereon being rolled up in the form of a sleeve, in particular having an outside diameter of 5 to 15 mm, or a fired aluminum oxide material or a ceramic injection molding .
  • the sleeve can for example have an outer diameter of 5 to 15 mm and a wall thickness of 0.1 to 0.7 mm.
  • the anodized aluminum foil can be rolled up in such a way that the abutting edges of the foil are connected to one another, for example welded, so that a closed sleeve is produced.
  • the butt edges are not connected and remain open.
  • the film can overlap at its abutting edges and / or can be wound in several windings.
  • the heating structure is:
  • the heating structure can be arranged particularly quickly and efficiently on the base body by screen printing and / or tape casting.
  • the heating structure can be introduced as a conductor track in a metal foil and the correspondingly structured metal foil can in turn be arranged on the base body and held by the cover layer.
  • the structured metal foil can have a meander and at least one partial surface of a conductor track of the meander has a curve which corresponds to a curve of an outer diameter of the base body.
  • the structured metal foil can advantageously act like a leaf spring and thus improve the thermal contact with the base body.
  • the cover layer comprises:
  • the heating element can be manufactured particularly simply and inexpensively, since the baking of the cover layer can be omitted.
  • the heating element has at least one temperature sensor, arranged on the heating structure, preferably two temperature sensors, in particular a PT1000 with two supply lines, the supply lines being designed as flat ribbon supply lines or wire supply lines, and the supply lines being arranged axially or parallel to one another and at least comprise a platinum material, a nickel material, an iron material, a copper material or a brass material, the supply lines are preferably coated with gold, silver or platinum, and the cover layer has an envelope for the temperature sensor.
  • the temperature sensor can, for example, be connected to evaluation electronics and transmit the instantaneous temperature of the heating structure to the evaluation electronics.
  • the temperature sensor described in this example with flat supply lines advantageously allows a particularly space-saving arrangement. Furthermore, the Wrapping in the cover layer a good fixation of the temperature sensor on the heating structure, as well as good thermal shielding from the outside.
  • the term “covering” can be understood to mean a depression in the cover layer which at least partially surrounds the outer geometry of the temperature sensor.
  • the heating structure has a structured steel alloy, a nickel-iron alloy, or a nickel-chromium alloy, in particular with a resistance of 0.4 to 3 ohms, preferably 0.6 ohms.
  • a particularly favorable heating element can advantageously be produced.
  • the invention also proposes a method for producing a heating element for a system for providing an inhalable aerosol, comprising the following steps:
  • the provision of the base body has:
  • Providing a base body comprising an aluminum oxide material, an anodized aluminum material, or a steel coated with glass slip, in particular a steel sleeve coated with glass slip.
  • the provision of the base body has:
  • the base body as an anodized aluminum foil and rolling up the base body with a heating structure arranged thereon in the form of a sleeve, with an outside diameter of 5 to 15 mm, or
  • arranging the heating structure comprises:
  • Printing on the heating structure by means of screen or pad printing a metal paste onto the base body and baking the metal paste, or
  • arranging the heating structure as a structured metal foil on the base body has:
  • the invention also proposes an evaporator unit for a system for providing an inhalable aerosol, comprising a heating element according to the invention and / or a heating element produced by a method according to the invention. Furthermore, the invention proposes a system for providing an inhalable aerosol, comprising a heating element according to the invention and / or a heating element produced by a method according to the invention.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a heater according to
  • FIG. 2 and 3 isometric views of a heater according to embodiments of the
  • the heating element 1 shown in FIGS. 1 to 3, for a system for providing an inhalable aerosol comprises a tubular base body 5 with an electrically insulating material, a heating structure 3 arranged on the base body 5 and a cover layer 7 adapted to the heating structure 3 on the base body 5 to fix.
  • the heating structure 3 is arranged on the outside of the base body 5.
  • the substance for forming the aerosol can be arranged in the interior of the tubular base body 5.
  • FIG. 1 shows rod-shaped heat sinks 9a-9n which are arranged around the outer circumference of the cover layer 7.
  • these heat sinks 9a-9n are not essential for the invention.
  • FIG. 1 also shows a temperature sensor 13 which is arranged on the heating structure 3 and an envelope 11 in the cover layer 7 in order to fasten the temperature sensor 13 on or to the heating structure 3.
  • the base body 5 shown can be an anodized aluminum tube with an outer diameter of 5-15 mm and a wall thickness of 0.1-0.7 mm.
  • the aluminum oxide layer has a thickness of 5 - 50 pm and serves as an electrically insulating base.
  • the heating structure 3 can be applied to the anodized aluminum tube by means of:
  • a) screen printing or pad printing of a metal paste and subsequent baking b) application of a metal layer over the entire surface, for example by vapor deposition, dip coating and subsequent laser structuring, c) photostructurable pastes, in particular thick-film pastes (dipping, spraying) and subsequent structuring using a photolithography process, or d) pressing / gluing a structured metal foil, for example punched out.
  • the cover layer 7 is shown transparently to make the underlying heating structure 3 visible.
  • the heating structure 3 shown is configured in a meandering manner in FIG. 3 and has two connection contacts 17a, 17b which are contacted with supply wires (not shown).
  • the base body 5 can expand via the connection contacts 17a, 17b and via the leads 15a, 15b of the temperature sensor 13.
  • an aluminum foil can also be used as the base body 5 instead of the anodized aluminum tube described above.
  • an aluminum foil with a thickness of 0.1-0.7 mm can be cut into strips and then anodized.
  • the aluminum oxide layer can have a thickness of 5-50 pm.
  • the heating structure 3 can be applied to the anodized aluminum strip as described in the first embodiment.
  • the film can be wound up, so that a sleeve with an outside diameter of 5-15 mm is produced.
  • the abutting edges of the film can be connected to one another, for example welded, so that a closed sleeve is created. Alternatively, the butt edges are not connected and remain open. In an embodiment not shown, the film can also overlap at its abutting edges.
  • the winding can also take place in the form of several revolutions, in particular in such a way that the heating structure 3 is covered by a film winding.
  • a green body made of aluminum oxide can be provided as the base body 5 and extruded in the form of a tube and then divided into individual pieces with the desired length and fired.
  • the green body can be manufactured as a ceramic injection molded part.
  • a steel sleeve can be coated with a cover layer 7 made of glass slip and then fired.
  • an aluminum sleeve alternatively an aluminum (alloy) sleeve anodized until about 15 pm or hard anodized until about 25 pm can be provided.
  • the heating structure 3 can be an eroded steel alloy 42, a NiCr alloy or a similar material with an electrical resistance of 0.4-3 ohms, typically 0.6 ohms.

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Abstract

Ein Heizelement für ein System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols, aufweisend: einen Grundkörper aufweisend ein elektrisch isolierendes Material; eine Heizstruktur angeordnet auf dem Grundkörper; und eine Abdeckschicht angepasst die Heizstruktur auf dem Grundkörper zu fixieren. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Heizelements für ein System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols, ein System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols, sowie eine Verdampfer-Einheit für ein solches System.

Description

Heizelement für ein System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Heizelements für ein System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols, sowie eine Verdampfer-Einheit für ein solches System.
Aus dem Stand der Technik sind Systeme mit Heizelementen zur Bereitstellung von inhalierbaren Aerosolen, die eine Substanz zur Bildung des Aerosols aufheizen, bekannt. Diese Systeme werden oft auch als Elektronische Zigarette, oder auch nur als E-Zigarette bezeichnet. Typischerweise weisen solche Systeme ein Mundstück sowie eine Verdampfer-Einheit, die ein Heizelement umfasst, auf. Abhängig von dem verwendeten System kann die Substanz ein nikotinhaltiges Produkt, wie Tabak oder ein tabakähnliches Produkt umfassen und kann flüssig, gasförmig oder fest sein. Es kann aber auch eine nikotinlose Substanz bereitgestellt werden. Das sich bildende Aerosol kann dann an einem nikotinhaltigen oder mit Nikotin versetzten Körper vorbeigeleitet werden, bzw. diesen Körper durchfluten, um das Aerosol mit Nikotin zu versetzen.
Auch wird im Allgemeinen die Substanz nicht wie in einer konventionellen Zigarette verbrannt, sondern lediglich erhitzt, um dadurch das inhalierbare Aerosol zu erhalten. Das Heizelement erhitzt hierbei die Substanz in einem Temperaturbereich von ungefähr 200°C bis 400°C, so dass das inhalierbare Aerosol entsteht, das von dem Benutzer des Systems inhaliert werden kann.
So sind aus dem Stand der Technik beispielsweise lanzen-, rohr-, oder stabförmige Heizelemente bekannt. Die Substanz zur Bildung des Aerosols wird mit diesen Heizelementen in Berührung gebracht.
Beispielsweise wird in der US5665262A ein rohrförmiges Heizelement beschrieben, das aus einer Metallhülse, einer Isolationsschicht auf der Metallhülse und einem darauf aufgebrachten Widerstandselement gebildet wird. In der JP2014216287A wird ein Heizelement beschrieben, das aus einem dünnen Aluminiumrohr mit oxidierter Oberfläche gebildet wird. Um das dünne Aluminiumrohr ist ein Heizdraht gewickelt.
US20170215474A1 beschreibt ein rohrförmiges Heizelement mit einem perforierten Alu- Zylinder als thermischen Kontaktvermittler zwischen einem NiCd-Heizdraht, der um den Alu- Zylinder gewickelt ist. Das rohrförmige Heizelement wird mit der Substanz zur Bildung des Aerosols befüllt.
In der DE1020161 15574A1 wird ein rohrförmiges Heizelement mit einem Trägermaterial aus Glas oder einer Glaskeramik und mit metallischen Heizleiterstrukturen beschrieben.
Die US6222166B1 beschreibt ein Heizelement aus einem Metall mit einem hohem thermischen Ausdehnungskoeffizient von > 16x10E-16 /°C, z.B. kann das Material ein Aluminium-Material sein, mit einer dielektrischen Schicht, z.B. AI203, und einem darauf aufgebrachten Dickschicht Widerstandsheizer.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Heizelemente haben allerdings den Nachteil, dass diese Heizelemente nur mit erhöhtem fertigungstechnischem Aufwand hergestellt werden können und vergleichsweise teure Materialien zum Aufbau der Heizelemente verwendet werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Heizelement und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen verbesserten Heizelements bereitzustellen, welche die Nachteile des Stands der Technik überwinden. Insbesondere ein Heizelement und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen ein Heizelement kostengünstig und einfach herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß des Gegenstands des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Heizelement für ein System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols, weist hierfür auf:
einen Grundkörper aufweisend ein elektrisch isolierendes Material;
eine Heizstruktur angeordnet auf dem Grundkörper; und
eine Abdeckschicht angepasst die Heizstruktur auf dem Grundkörper zu fixieren. Der Grundkörper weist idealerweise eine hohe Temperaturstabilität und eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Weiterhin weist zumindest die Oberfläche des Grundkörpers ein elektrisch isolierendes Material mit guten elektrisch isolierenden Eigenschaften auf. Das elektrisch isolierende Material kann beispielsweise ein Aluminiumoxidmaterial, ein eloxiertes Aluminiummaterial, oder einen Stahl beschichtet mit Glasschlicker, insbesondere eine Stahlhülse beschichtet mit Glasschlicker, umfassen.
Unter dem Begriff „Heizstruktur“ kann ein Heizwiderstand verstanden werden, der auf dem Grundkörper angeordnet ist und in seiner einfachsten Ausführung einen Metalldraht, auch Heizleiter genannt, aufweist. Beispielsweise kann die Heizstruktur auch in Form einer Leiterbahn, die zum Beispiel mäanderförmig verläuft, ausgebildet sein. Wenn die Leiterbahn von einem Strom durchflossen wird, entsteht durch den intrinsischen Widerstand der Leiterbahn Wärme. Abhängig von dem die Leiterbahn durchfließenden Strom kann die Heizleistung der Heizstruktur festgelegt werden. Die Heizstruktur kann auf der Außenseite des Grundkörpers angeordnet sein.
Die Heizstruktur kann beispielsweise durch Siebdrucken und/oder Tape Casting, oder auch als freistehende Struktur auf dem Grundkörper angeordnet werden.
Unter dem Begriff „Abdeckschicht“ kann eine elektrisch isolierende Schicht, wie beispielsweise ein Glasmaterial verstanden werden, das auf den Grundkörper und die Heizstruktur aufgebrannt wird. Beispielsweise kann das Brennen bei mindestens 850°C für mindestens 1 Stunde stattfinden.
Alternativ hierzu kann die Abdeckschicht auch ein Spritzgussteil aus temperaturbeständigem Kunststoff sein, das auf den Grundkörper und die Heizstruktur aufgepresst wird und die Heizstruktur auf dem Grundkörper fixiert.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zu Grunde, dass eine einfache und kostengünstige Herstellung des erfindungsgemäßen Heizelements erreicht werden kann.
In einem Beispiel ist der Grundkörper rohrförmig ausgestaltet. Beispielsweise kann das Rohr einen Durchmesser von kleiner oder gleich 20 mm haben und einen runden, ellipsoiden, drei- oder mehrwinkligen Querschnitt aufweisen. Die Heizstruktur und die Abdeckschicht sind in diesem Beispiel entsprechend rohrförmig ausgestaltet. Die Substanz zur Bildung des Aerosols kann beispielsweise in der Mitte des Rohres angeordnet werden.
In einem weiteren Beispiel umfasst der Grundkörper ein Aluminiumoxidmaterial, ein eloxiertes Aluminiummaterial, oder einen Stahl beschichtet mit Glasschlicker, insbesondere eine Stahlhülse beschichtet mit Glasschlicker.
Ein Grundkörper aus einem Aluminiumoxidmaterial oder aus einem eloxierten Aluminiummaterial bietet ein günstiges Ausgangsmaterial mit sehr guten thermischen Eigenschaften. Alternativ kann auch ein Grundkörper aus Stahl bereitgestellt werden, der mit Glasschlicker beschichtet ist.
In einem Beispiel umfasst der Grundkörper:
eine Hülse, oder
eine eloxierte Aluminiumfolie, bevorzugt mit einer Stärke von 0,1 bis 0,7 mm, wobei die eloxierte Aluminiumfolie mit darauf angeordneter Heizstruktur in Hülsenform aufgerollt ist, insbesondere mit einem Außendurchmesser von 5 bis 15 mm aufgerollt ist, oder ein gebranntes Aluminiumoxidmaterial oder ein Keramikspritzgussteil.
Die Hülse kann beispielsweise einen Außendurchmesser von 5 bis 15 mm und eine Wandstärke von 0,1 bis 0,7 mm haben. Das Aufrollen der eloxierten Aluminiumfolie kann derart erfolgen, dass die Stoßkanten der Folie miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt werden, damit eine geschlossene Hülse entsteht. In einem alternativen Beispiel werden die Stoßkanten nicht verbunden und bleiben offen. In noch einem weiteren Beispiel kann sich die Folie an ihren Stoßkanten überlappen und/oder in mehreren Wicklungen aufgewickelt sein.
In noch einem Beispiel ist die Heizstruktur:
auf dem Grundkörper aufgedruckt, aufgedampft, als photostruktierbare Paste aufgebracht, oder
als strukturierte Metallfolie auf dem Grundkörper angeordnet.
Beispielsweise kann durch Siebdrucken und/oder Tape Casting die Heizstruktur besonders schnell und effizient auf dem Grundkörper angeordnet werden. Alternativ kann die Heizstruktur als Leiterbahn in eine Metallfolie eingebracht sein und die entsprechend strukturierte Metallfolie kann wiederum auf dem Grundkörper angeordnet sein und von der Abdeckschicht gehalten werden.
In diesem Beispiel kann die strukturierte Metallfolie einen Mäander aufweisen und zumindest eine Teilfläche einer Leiterbahn des Mäanders weist eine Rundung auf, die einer Rundung eines Außendurchmessers des Grundkörpers entspricht.
Vorteilhaft kann die strukturierte Metallfolie durch eine solche Ausgestaltung wie eine Blattfeder wirken und damit den thermischen Kontakt zum Grundkörper verbessern.
In einem weiteren Beispiel umfasst die Abdeckschicht:
eine eingebrannte Glasschicht, oder
ein Spritzgussteil aus temperaturbeständigem Kunststoff, insbesondere umfassend ein PEEK-, PPS-, oder PTFE-Material, bevorzugt ist das Spritzgussteil auf den Grundkörper und die Heizstruktur aufgepresst.
Durch die Fixierung mit dem Spritzgussteil kann das Heizelement besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden, da das Einbrennen der Abdeckschicht entfallen kann.
In noch einem Beispiel weist das Heizelement zumindest ein Temperatursensor auf, angeordnet auf der Heizstruktur, bevorzugt zwei Temperatursensoren, insbesondere ein PT1000 mit zwei Zuleitungen, wobei die Zuleitungen als Flachbandzuleitungen oder Drahtzuleitungen ausgestaltet sind, und wobei die Zuleitungen axial oder parallel zueinander angeordnet sind und zumindest ein Platinmaterial, ein Nickelmaterial, ein Eisenmaterial, ein Kupfermaterial oder ein Messingmaterial umfassen, bevorzugt sind die Zuleitungen mit Gold, Silber oder Platin beschichtet, und wobei die Abdeckschicht eine Umhüllung für den Temperatursensor aufweist.
Der Temperatursensor kann beispielsweise mit einer Auswerteelektronik verbunden sein und die momentane Temperatur der Heizstruktur an die Auswerteelektronik übermitteln.
Vorteilhaft erlaubt der in diesem Beispiel beschriebene Temperatursensor mit flachen Zuleitungen eine besonders platzsparende Anordnung. Weiterhin vorteilhaft erlaubt die Umhüllung in der Abdeckschicht eine gute Fixierung des Temperatursensors auf der Heizstruktur, sowie eine gute thermische Abschirmung nach außen. In diesem Zusammenhang kann unter dem Begriff „Umhüllung“ eine Vertiefung in der Abdeckschicht verstanden werden, welche die äußere Geometrie des Temperatursensors zumindest teilweise umschließt.
In einem Beispiel weist die Heizstruktur eine strukturierte Stahllegierung, eine Nickel-Eisen Legierung, oder eine Nickel-Chrom Legierung auf, insbesondere mit einem Widerstand von 0,4 bis 3 Ohm, bevorzugt 0,6 Ohm.
Vorteilhaft kann durch das Auswählen einer Stahllegierung für die Heizstruktur ein besonders günstiges Heizelement hergestellt werden.
Auch schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Heizelements für ein System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols vor, aufweisend die aufeinanderfolgenden Schritte:
Bereitstellen eines Grundkörper aufweisend ein elektrisch isolierendes Material;
Anordnen einer Heizstruktur auf dem Grundkörper; und
Anordnen einer Abdeckschicht angepasst die Heizstruktur auf dem Grundkörper zu fixieren.
In einem Beispiel weist das Bereitstellen des Grundkörpers auf:
Bereitstellen eines rohrförmigen Grundkörpers, und/oder
Bereitstellen eines Grundkörpers umfassend ein Aluminiumoxidmaterial, ein eloxiertes Aluminiummaterial, oder einen Stahl beschichtet mit Glasschlicker, insbesondere eine Stahlhülse beschichtet mit Glasschlicker.
In noch einem Beispiel weist das Bereitstellen des Grundkörpers aufweist:
Bereitstellen des Grundkörpers als Hülse und Anordnen der Heizstruktur auf dem Grundkörper,
Bereitstellen des Grundkörpers als eloxierte Aluminiumfolie und Aufrollen des Grundkörpers mit darauf angeordneter Heizstruktur in Hülsenform, mit einem Außendurchmesser von 5 bis 15 mm, oder
Bereitstellen des Grundkörpers als einen Grünkörper, insbesondere als ein Keramikspritzgussteil, umfassend ein Aluminiumoxidmaterial und Brennen des Grünkörpers. In einem Beispiel weist das Anordnen der Heizstruktur auf:
Aufdrucken der Heizstruktur mittels Sieb- oder Tampondruck einer Metallpaste auf den Grundkörper und Einbrennen der Metallpaste, oder
Anordnen einer Metallschicht mittels Aufdampfen oder Dip-Coating auf dem Grundkörper und Strukturieren mit einem Laserablationsprozess, oder
Aufdampfen der Heizstruktur, oder Aufbringen als photostrukturierbare Paste und
Strukturieren mit einem Photolithographieprozess, oder
Anordnen der Heizstruktur als strukturierte Metallfolie auf dem Grundkörper. In noch einem Beispiel weist das Anordnen der Abdeckschicht auf:
Einbrennen einer Glasschicht auf den Grundkörper und Heizstruktur, oder
Anordnen eines Spritzgussteils aus temperaturbeständigem Kunststoff, insbesondere einem PEEK, einem PPS oder einem PTFE Material, bevorzugt Aufpressen des Spritzgussteils auf den Grundkörper und die Heizstruktur und/oder den Temperatursensor.
Die Erfindung schlägt auch eine Verdampfer-Einheit für ein System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols vor, aufweisend ein erfindungsgemäßes Heizelement und/oder ein Heizelement hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren. Weiterhin schlägt die Erfindung ein System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols vor, aufweisend ein erfindungsgemäßes Heizelement und/oder ein Heizelement hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen erläutert sind.
Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Heizers gemäß
Ausführungsformen der Erfindung; und
Figuren 2 und 3 Isometrieansichten eines Heizers gemäß Ausführungsformen der
Erfindung.
Das in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Heizelement 1 , für ein System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols, umfasst einen rohrförmigen Grundkörper 5 mit einem elektrisch isolierenden Material, eine Heizstruktur 3 angeordnet auf dem Grundkörper 5 und eine Abdeckschicht 7 angepasst die Heizstruktur 3 auf dem Grundkörper 5 zu fixieren. Wie es in den Figuren gezeigt wird, ist die Heizstruktur 3 auf der Außenseite des Grundkörpers 5 angeordnet. Die Substanz zur Bildung des Aerosols kann im Inneren des rohrförmigen Grundkörpers 5 angeordnet werden. Weiterhin zeigt Figur 1 stabförmige Kühlkörper 9a - 9n, die um den Außenumfang der Abdeckschicht 7 angeordnet sind. Der Fachmann weiß aber, dass diese Kühlkörper 9a - 9n nicht essentiell für die Erfindung sind.
Auch zeigt Figur 1 einen Temperatursensor 13, der auf der Heizstruktur 3 angeordnet ist und eine Umhüllung 1 1 in der Abdeckschicht 7, um den Temperatursensor 13 auf bzw. an der Heizstruktur 3 zu befestigen.
Der gezeigte Grundkörper 5 kann in einer ersten Ausführungsform ein eloxiertes Aluminium- Röhrchen mit einem Außendurchmesser von 5 - 15 mm und einer Wandstärke von 0,1 - 0,7 mm sein. Die Aluminiumoxidschicht hat eine Dicke von 5 - 50 pm und dient als elektrisch isolierende Unterlage. Auf das eloxierte Aluminium-Röhrchen kann die Heizstruktur 3 aufgebracht werden mittels:
a) Siebdruck oder Tampondruck einer Metallpaste und anschließendes Einbrennen, b) Ganzflächiges Aufbringen einer Metallschicht, z.B. durch Aufdampfen, Dip-coating und anschließende Laserstrukturierung, c) Photostrukturierbare Pasten, insbesondere Dickschichtpasten (Tauchen, Sprühen) und anschließende Strukturierung über einen Photolithographieprozess, oder d) Aufpressen/Aufkleben einer strukturierten Metallfolie, z.B. ausgestanzt.
In Figur 3 ist die Abdeckschicht 7 transparent dargestellt, um die darunterliegende Heizstruktur 3 sichtbar zu machen. Die gezeigte Heizstruktur 3 ist in Figur 3 mäanderförmig ausgestaltet und weist zwei Anschlusskontakte 17a, 17b auf, die mit Zuleitungsdrähten (nicht gezeigt) kontaktiert werden.
In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann sich der Grundkörper 5 über die Anschlusskontakte 17a, 17b und über die Zuleitungen 15a, 15b des Temperatursensors 13 ausdehnen.
In einer zweiten Ausführungsform kann anstelle des zuvor beschriebenen eloxierten Aluminium- Röhrchens auch eine Aluminiumfolie als Grundkörper 5 verwendet werden. Beispielsweise kann eine Aluminiumfolie mit einer Stärke von 0,1 - 0,7 mm in Streifen geschnitten werden und anschließend eloxiert werden. Die Aluminiumoxidschicht kann eine Dicke von 5 - 50 pm haben. Auf den eloxierten Aluminiumstreifen kann die Heizstruktur 3 wie in der ersten Ausführungsform zuvor beschrieben wurde, aufgebracht werden.
Nach dem Aufbringen der Heizstruktur 3 kann die Folie aufgewickelt werden, so dass eine Hülse mit einem Außendurchmesser von 5 - 15 mm entsteht. Die Stoßkanten der Folie können miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt werden, damit eine geschlossene Hülse entsteht. Alternativ hierzu werden die Stoßkanten nicht verbunden und bleiben offen. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann die Folie aber auch an ihren Stoßkanten überlappen. Die Wicklung kann auch in Form von mehreren Umdrehungen erfolgen, insbesondere so, dass die Heizstruktur 3 durch eine Folienwicklung abgedeckt wird.
In einer dritten Ausführungsform kann als Grundkörper 5 ein Grünkörper aus Aluminiumoxid bereitgestellt werden und in Form eines Rohrs extrudiert und anschließend in einzelne Stücke mit der gewünschten Länge geteilt und gebrannt werden. Alternativ hierzu kann der Grünkörper als Keramikspritzgussteil gefertigt werden.
In einer vierten Ausführungsform kann eine Stahlhülse mit einer Abdeckschicht 7 aus Glasschlicker beschichtet und anschließend gebrannt werden. In einer fünften Ausführungsform kann eine Aluminiumhülse, alternativ eine Aluminium(legierung)hülse eloxiert bis ca. 15pm oder hartanodisiert bis ca. 25pm bereitgestellt werden. Die Heizstruktur 3 kann ein erodiertes Stahl Alloy 42, eine NiCr Legierung oder ein ähnliches Material mit einem elektrischen Widerstand von 0,4 - 3 Ohm, typischerweise 0,6 Ohm sein.
Alle weiteren Verarbeitungsschritte der Ausführungsformen zwei bis fünf können denen der ersten Ausführungsform entsprechen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen und in den Figuren dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination wesentlich für die Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen sein.
Bezuaszeichenliste
1 Heizelement
3 Heizstruktur
5 Grundkörper
7 Abdeckschicht
9a - 9n Kühlkörper
1 1 Umhüllung
13 Temperatursensor
15a, 15b Zuleitungen
17a, 17b Anschlusskontakte

Claims

Ansprüche
1. Heizelement für ein System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols, aufweisend: einen Grundkörper aufweisend ein elektrisch isolierendes Material;
eine Heizstruktur angeordnet auf dem Grundkörper; und
eine Abdeckschicht angepasst die Heizstruktur auf dem Grundkörper zu fixieren.
2. Heizelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
der Grundkörper rohrförmig ausgestaltet ist.
3. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Grundkörper ein Aluminiumoxidmaterial, ein eloxiertes Aluminiummaterial, oder einen Stahl beschichtet mit Glasschlicker, insbesondere eine Stahlhülse beschichtet mit Glasschlicker, umfasst.
4. Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper:
- eine Hülse umfasst, oder
eine eloxierte Aluminiumfolie umfasst, bevorzugt mit einer Stärke von 0,1 bis 0,7 mm, wobei die eloxierte Aluminiumfolie mit darauf angeordneter Heizstruktur in Hülsenform aufgerollt ist, insbesondere mit einem Außendurchmesser von 5 bis 15 mm aufgerollt ist, oder
ein gebranntes Aluminiumoxidmaterial oder ein Keramikspritzgussteil umfasst.
5. Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstruktur:
- auf dem Grundkörper aufgedruckt, aufgedampft, als photostruktierbare Paste
aufgebracht, oder
- als strukturierte Metallfolie auf dem Grundkörper angeordnet ist.
6. Heizelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die strukturierte Metallfolie einen Mäander aufweist und zumindest eine Teilfläche einer Leiterbahn des Mäanders eine Rundung aufweist, die einer Rundung eines
Außendurchmessers des Grundkörpers entspricht.
7. Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht:
- eine eingebrannte Glasschicht umfasst, oder
- ein Spritzgussteil aus temperaturbeständigem Kunststoff, insbesondere umfassend ein PEEK-, PPS-, oder PTFE-Material, bevorzugt ist das Spritzgussteil auf den Grundkörper und die Heizstruktur aufgepresst.
8. Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend zumindest ein Temperatursensor angeordnet auf der Heizstruktur, bevorzugt zwei
Temperatursensoren, insbesondere ein PT1000 mit zwei Zuleitungen, wobei die Zuleitungen als Flachbandzuleitungen oder Drahtzuleitungen ausgestaltet sind, und wobei die Zuleitungen axial oder parallel zueinander angeordnet sind und zumindest ein Platinmaterial, ein Nickelmaterial, ein Eisenmaterial, ein Kupfermaterial oder ein Messingmaterial umfassen, bevorzugt sind die Zuleitungen mit Gold, Silber oder Platin beschichtet, und wobei die Abdeckschicht eine Umhüllung für den Temperatursensor aufweist.
9. Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstruktur eine strukturierte Stahllegierung, eine Nickel-Eisen Legierung, oder eine Nickel-Chrom Legierung aufweist, insbesondere mit einem Widerstand von 0,4 bis 3 Ohm, bevorzugt 0,6 Ohm.
10. Verfahren zur Herstellung eines Heizelements für ein System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols, aufweisend die aufeinanderfolgenden Schritte:
Bereitstellen eines Grundkörper aufweisend ein elektrisch isolierendes Material;
Anordnen einer Heizstruktur auf dem Grundkörper; und
Anordnen einer Abdeckschicht angepasst die Heizstruktur auf dem Grundkörper zu fixieren.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des
Grundkörpers aufweist:
Bereitstellen eines rohrförmigen Grundkörpers, und/oder
Bereitstellen eines Grundkörpers umfassend ein Aluminiumoxidmaterial, ein eloxiertes Aluminiummaterial, oder einen Stahl beschichtet mit Glasschlicker, insbesondere eine Stahlhülse beschichtet mit Glasschlicker.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dass das Bereitstellen des Grundkörpers aufweist:
Bereitstellen des Grundkörpers als Hülse und Anordnen der Heizstruktur auf dem Grundkörper,
Bereitstellen des Grundkörpers als eloxierte Aluminiumfolie und Aufrollen des Grundköpers mit darauf angeordneter Heizstruktur in Hülsenform, mit einem Außendurchmesser von 5 bis 15 mm, oder
Bereitstellen des Grundkörpers als einen Grünkörper, insbesondere als ein Keramikspritzgussteil, umfassend ein Aluminiumoxidmaterial und Brennen des Grünkörpers.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnen der Heizstruktur aufweist:
Aufdrucken der Heizstruktur mittels Sieb- oder Tampondruck einer Metallpaste auf den Grundkörper und Einbrennen der Metallpaste, oder
Anordnen einer Metallschicht mittels Aufdampfen oder Dip-Coating auf dem
Grundkörper und Strukturieren mit einem Laserablationsprozess, oder
Aufdampfen der Heizstruktur, oder Aufbringen als photostruktierbare Paste und
Strukturieren mit einem Photolithographieprozess, oder
Anordnen der Heizstruktur als strukturierte Metallfolie auf dem Grundkörper.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnen der Abdeckschicht aufweist:
Einbrennen einer Glasschicht auf den Grundkörper und Heizstruktur, oder Anordnen eines Spritzgussteils aus temperaturbeständigem Kunststoff, insbesondere einem PEEK, einem PPS oder einem PTFE Material, bevorzugt Aufpressen des Spritzgussteils auf den Grundkörper und die Heizstruktur und/oder den Temperatursensor.
15. Heizer für ein eine Verdampfer-Einheit für ein System zur Bereitstellung eines
inhalierbaren Aerosols, aufweisend ein Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, und/oder ein Heizelement hergestellt nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 10 bis 14.
16. System zur Bereitstellung eines inhalierbaren Aerosols, aufweisend ein Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, und/oder ein Heizelement hergestellt nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 10 bis 14.
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