EP4248710A1 - Elektrisch leitfähiger, poröser sinterkörper mit zumindest zwei elektrisch leitfähigen materialien und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Elektrisch leitfähiger, poröser sinterkörper mit zumindest zwei elektrisch leitfähigen materialien und verfahren zu dessen herstellung

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Publication number
EP4248710A1
EP4248710A1 EP21816396.2A EP21816396A EP4248710A1 EP 4248710 A1 EP4248710 A1 EP 4248710A1 EP 21816396 A EP21816396 A EP 21816396A EP 4248710 A1 EP4248710 A1 EP 4248710A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrically conductive
conductive material
sintered body
volume
glass
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.)
Pending
Application number
EP21816396.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dang Cuong Phan
Matthias Rindt
Thomas Beerhorst
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.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
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 Schott AG filed Critical Schott AG
Publication of EP4248710A1 publication Critical patent/EP4248710A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01B—BOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
    • B01B1/00—Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
    • B01B1/005—Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • 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
    • A24F40/44—Wicks
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • 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
    • A24F40/10—Devices using liquid inhalable precursors
    • 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
    • A24F40/465—Shape or structure of electric heating means specially adapted for induction heating
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/021—Heaters specially adapted for heating liquids
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/022—Heaters specially adapted for heating gaseous material

Definitions

  • the invention generally relates to an electrically conductive porous sintered body.
  • the invention relates to an evaporator unit comprising a liquid reservoir or liquid buffer and a heating unit for storing and controlled release of evaporable substances.
  • the evaporator unit can be used here in particular in electronic cigarettes, in medication administration devices, room humidifiers and/or heatable evaporators.
  • the evaporators can be devices for the provision, delivery and/or distribution of substances in a gas phase, for example in the room air, in the form of gases, vapors and/or aerosols.
  • fragrances or active substances in particular insect repellents, can be used as substances.
  • Electronic cigarettes also referred to below as e-cigarettes, or similar devices such as electric pipes or shishas, are being used to an increasing extent as an alternative to tobacco cigarettes.
  • electronic cigarettes include a mouthpiece and vaporizer unit, and an electrical power source operatively connected to the vaporizer unit.
  • the evaporator unit has a liquid reservoir which is connected to a heating element.
  • Certain medicaments are advantageously administered in a gaseous or vaporized form, for example as an aerosol.
  • Vaporizers according to the invention can be used for the storage and dispensing of such medicaments, particularly in delivery devices for such medicaments.
  • Thermally heatable evaporators are increasingly being used to provide an ambience with fragrances.
  • these can be bars, hotel lobbies and/or vehicle interiors, for example the interiors of motor vehicles, in particular passenger cars.
  • a liquid reservoir is also connected to a heating element in the evaporator unit used in this case.
  • the liquid reservoir includes a Liquid, which is usually a carrier liquid such as propylene glycol or glycerin, in which additives such as fragrances and flavorings and/or nicotine and/or medication are dissolved and/or generally contained.
  • the carrier liquid is bound to the inner surface of the liquid reservoir by adsorption processes. If necessary, a separate liquid reservoir is provided in order to supply liquid to the liquid reservoir.
  • the liquid stored in the liquid reservoir is vaporized by heating a heating element, desorbed from the wetted surface of the liquid reservoir and can be inhaled by the user. Temperatures of over 200°C can be reached here.
  • the liquid reservoir or liquid buffer must therefore have a high absorption capacity and a high adsorption effect, and at the same time the liquid must be released or transported quickly at high temperatures.
  • liquid reservoirs or wicks can be formed by a porous or fibrous organic polymer.
  • Corresponding components can be produced quite easily, but there is a risk here that the polymeric material will be heated too high and decompose, for example if the component runs dry. This not only has a disadvantageous effect on the service life of the liquid reservoir or wick and thus the evaporator unit, but there is also the risk that decomposition products of the fluid to be evaporated or even of the liquid reservoir will be released and inhaled by the user.
  • evaporator units are also used whose liquid reservoirs consist of porous glass or ceramics. Due to the higher temperature stability of these liquid stores, a more compact construction of the evaporator and thus of the electronic cigarette as a whole can be implemented.
  • local evaporation can be achieved by using a low pressure combined with a high temperature.
  • the low pressure is achieved, for example, by the suction pressure when puffing on the cigarette during consumption, so the pressure is regulated by the consumer.
  • the temperatures in the liquid reservoir required for evaporation are generated by a heating unit. Temperatures of more than 200°C are usually reached here in order to ensure rapid evaporation.
  • the heating output is usually provided by an electrical heating coil operated by means of a battery or accumulator.
  • the required heating power depends on the volume to be evaporated and the effectiveness of the heating.
  • the heat transfer from the heating coil to the liquid should take place by non-contact radiation.
  • the heating coil is attached as close as possible to the evaporation surface, but preferably without touching it.
  • the liquid often overheats and decomposes.
  • EP 2 764 783 A1 describes an electronic cigarette with an evaporator that has a porous liquid reservoir made of a sintered material.
  • the heating element can be designed as a heating coil or as an electrically conductive coating, with the coating being deposited only on parts of the lateral surfaces of the liquid reservoir.
  • the evaporation is locally limited.
  • US 2011/0226236 A1 describes an inhaler in which the liquid reservoir and the heating element are cohesively connected to one another.
  • Liquid reservoir and heating element form a flat composite material.
  • the liquid reservoir for example made of an open-pored sintered body, acts as a wick and directs the liquid to be evaporated to the heating element.
  • the heating element is applied to one of the surfaces of the liquid reservoir, for example in the form of a coating.
  • the evaporation takes place in a locally limited manner on the surface, so that there is also a risk of overheating.
  • evaporator units are known from the prior art, in which the evaporation takes place not only on the surface of the liquid reservoir, but over its entire volume.
  • the vapor develops not only locally on the surface, but throughout the volume of the liquid reservoir.
  • the vapor pressure within the liquid reservoir is largely constant and capillary transport of the liquid to the surface of the liquid reservoir is still ensured. Accordingly, the evaporation rate is no longer minimized by capillary transport.
  • a prerequisite for a corresponding evaporator is an electrically conductive and porous material. If an electrical voltage is applied, the entire volume of the evaporator heats up and evaporation takes place throughout the volume.
  • Corresponding evaporators are described in US 2014/0238424 A1 and US 2014/0238423 A1.
  • the liquid reservoir and the heating element are combined in one component, for example in the form of a porous body made of metal or a metal mesh.
  • the disadvantage here is that in the porous bodies described, the ratio of pore size to electrical resistance cannot be easily adjusted. Degradation of the coating can also occur after the application of the conductive coating as a result of subsequent sintering.
  • the materials described in the prior art mentioned above are not suitable, or only suitable to a limited extent, for producing composites by means of a sintering process which have both a high, adjustable porosity and good electrical conductivity. In general, ceramics are also difficult to coat continuously due to their fine porosity and rough surface.
  • the problem of low dimensional stability of the sintered body or its precursor during production can also occur.
  • the glasses used have good joining properties, the relatively low softening temperatures required for this lead to poor dimensional stability of the workpiece at high temperatures.
  • this can lead to deformation or shrinkage of the workpiece during the sintering process.
  • this can also have a disadvantageous effect on the porosity of the sintered body.
  • pore formers which are only removed from the sintered body after the sintering process has ended and thus stabilize the workpiece during sintering.
  • the pore formers used are usually water-soluble salts with high temperature stability and a high melting point.
  • the disadvantage of this method is that only a limited selection of pore formers is available.
  • an additional process step is required to wash out the pore-forming agent.
  • Another object of the invention is to provide an evaporator comprising a sintered body.
  • the invention strives for good heatability and simple adjustability of the electrical resistance and porosity of the liquid reservoir.
  • Another object of the invention is to provide a method for producing a corresponding electrically conductive sintered body.
  • an object of the invention is to enable the use of the sintered body in an evaporator.
  • the sintered body according to the invention is particularly suitable for use in an evaporator unit.
  • An evaporator according to the present invention includes the electrically conductive sintered body.
  • the electrically conductive sintered body is designed as a composite of at least two electrically conductive materials and at least one dielectric material.
  • the sintered body has at least one first electrically conductive material and at least one second electrically conductive material, the first electrically conductive material having a lower electrical conductivity than the second electrically conductive material.
  • the electrical conductivity of the first electrically conductive material is preferably less than 30 S/pm, in particular up to 10 S/pm.
  • the second electrically conductive material preferably has an electrical conductivity of more than 10 S/pm, particularly preferably more than 30 S/pm.
  • the conductivity values given here refer to their value at room temperature.
  • the at least one first conductive material forms a framework for the sintered body. This framework serves to create a stable element that remains mechanically stable even at the sintering temperature.
  • At least one of the electrically conductive materials used ie the first or the second electrically conductive material, has a resistance with a positive temperature coefficient.
  • Both electrically conductive materials particularly preferably have such a positive temperature coefficient. This makes it easier to control the electrical heating of the sintered body and supports rapid heating from room temperature.
  • a carrier liquid is stored in the porous evaporator by adsorptive interactions, which liquid can contain, for example, fragrances and flavorings and/or medicines, including active substances and/or nicotine dissolved in suitable liquids.
  • liquid can contain, for example, fragrances and flavorings and/or medicines, including active substances and/or nicotine dissolved in suitable liquids.
  • the sintered body has an open porosity in the range of 10 to 90%, preferably in the range of 50 to 75%, based on the volume of the sintered body.
  • the sintered body has a large inner surface area for desorption with simultaneous high mechanical stability and enables good subsequent flow of the liquid to be evaporated or the medium to be evaporated.
  • At least 90%, in particular at least 95%, of the total pore volume is preferably present as open pores.
  • the open porosity can be determined using measuring methods according to DIN EN ISO 1183 and DIN 66133.
  • the sintered body preferably contains only a small proportion of closed pores. As a result, the sintered body has only a small dead volume, i.e. a volume that does not contribute to the absorption and release of the liquid to be evaporated.
  • the sintered body preferably has a proportion of closed pores of less than 15% or even less than 10% of the total volume of the sintered body.
  • the open porosity can be determined as described above.
  • the total porosity is calculated from the density of the body.
  • the difference between the total porosity and the open porosity then results as the proportion of closed pores.
  • the sintered body even has a proportion of closed pores of less than 5% of the total volume, which can occur as a result of the process.
  • the sintered body contains one of the materials glass, ceramic, glass ceramic, plastic or a combination of these materials as the dielectric material.
  • dielectric material and electrically conductive materials form the composite material of the sintered body.
  • a dielectric or dielectric material is referred to in particular as an electrically weakly or non-conductive substance in which the charge carriers present are not freely movable, or at least are not freely movable at room temperature.
  • the proportion of dielectric material is at least 5% by volume, with one embodiment of the invention providing a proportion of dielectric material in the composite material in the range from 5 to 70% by volume, preferably in the range from 10 to 50% by volume.
  • the total proportion of electrically conductive material in the composite material is at most 95% by volume.
  • the proportion of electrically conductive material in the composite material is a total of 30 to 95% by volume, preferably 50 to 90% by volume.
  • the proportions listed above relate to the composite material of the sintered body, i.e. the pore volume or the proportion by volume of the pores in the sintered body is not taken into account here.
  • the sintered body contains at least two different dielectric materials.
  • the dielectric materials used have no appreciable electrical conductivity at room temperature.
  • the electrically conductive materials are connected to each other through the dielectric material.
  • the electrical conductivity of the first electrically conductive material is preferably in the range of up to ⁇ 30 S/pm, preferably in the range from 0.01 to 20 S/pm, particularly preferably in the range from 1 to 10 S/pm and the electrical conductivity of the second electrically conductive material preferably in the range of >10 S/pm, preferably >20 S/pm, most preferably >30 S/pm, in particular in the range of up to 70 S/pm.
  • the proportion of the first electrically conductive material in the sintered body is greater than the proportion of the second electrically conductive material.
  • the first electrically conductive material enables the sintered body to have high mechanical strength and dimensional stability. Due to the relatively low electrical conductivity of the first electrically conductive material of at most 30 S/pm, the content of the first electrically conductive material no longer has an exponential effect on the electrical conductivity of the sintered body, in contrast to materials with high electrical conductivity, but rather almost linearly out. This enables good adjustability of the electrical conductivity of the sintered body.
  • sintered bodies with high contents of the first electrically conductive material can be realized without increasing the electrical conductivity of the sintered body too much.
  • basic electrical conductivity with high homogeneity over the entire sintered body is also achieved, particularly in embodiments with relatively high contents of the first electrically conductive material.
  • Contents of the first electrically conductive material in the composite of 30 to 90% by volume, preferably 40 to 80% by volume and particularly preferably 55 to 75% by volume have proven to be particularly advantageous.
  • the content of the first electrically conductive material in the composite is 30 to 80% by volume, preferably 40 to 70% by volume and particularly preferably 50 to 65% by volume.
  • a classification of the electrically conductive materials can be made in particular on the basis of their electrical conductivity.
  • the materials of classes C and B can be used with preference for the formation of the metal framework, in particular because of their at least partially inexpensive commercial availability, and can be used to achieve or set a basic electrical conductivity of the sintered body.
  • Class A materials can preferably be used to achieve, set or fine-tune a desired or required electrical conductivity of the sintered body.
  • the materials from at least one class are preferably put together according to the rule that the electrical conductivity of the first material is lower than the electrical conductivity of the at least one second material.
  • class C and/or B are combined with class A, preferably class C with class A.
  • the sintered body contains a material from class C and/or class B as the first electrically conductive material and a material from class A as the second electrically conductive material. Combining class B with class C is also conceivable.
  • the sintered body contains a class C material as the first electrically conductive material and a class B material as the second electrically conductive material.
  • the sintered body has titanium, chromium, steel, manganese, nickel, copper, silicon or corresponding alloys, such as typical heat conductor alloys, in particular CuMnNi alloys (e.g. Konstanten®) or FeCrAI alloys (e.g. Kanthai ®) on. Mixtures or combinations of the above materials are also possible.
  • stainless steel in particular stainless and/or scale-resistant or heat-resistant stainless steel, for example type 1.4828 or 1.4404, as the first electrically conductive material has proven to be particularly advantageous.
  • stainless steel not only has an electrical conductivity that is advantageous for use as the first electrically conductive material but also one without chemical resistance.
  • stainless steel is resistant to high temperatures and can also be used in medical areas. Another advantage lies in its relatively low production costs.
  • the desired electrical conductivity of the sintered body is set based on its basic conductivity by the type of second electrically conductive material and its content in the sintered body.
  • the composite has a content of second electrically conductive material in the range from 5 to 50% by volume, preferably 10 to 30% by volume and particularly preferably 15 to 25% by volume.
  • aluminum, copper and precious metals in particular platinum, gold, silver, and their mixtures and/or their alloys have proven to be advantageous as the second electrically conductive material.
  • Mixing at least two of the above materials is also possible.
  • Precious metals offer in addition to a high electrical Conductivity also has the advantage that they are inert or at least largely inert to the components of the dielectric material even at high temperatures, ie in particular materials that have little or no tendency to react with the dielectric material and/or to form oxides or other chemical changes. Inertness is therefore also an important criterion for the selection of other electrically conductive materials and/or their alloys and/or mixtures, apart from the precious metals and/or their alloys and/or mixtures. This is particularly advantageous in embodiments in which glasses are used as the dielectric material.
  • the use of silver or gold or alloys with at least one of these metals as the second electrically conductive material is particularly advantageous.
  • the sintered body has stainless steel (class C) as the first electrically conductive material and silver (class A) as the second electrically conductive material.
  • a development of the invention provides that all of the electrically conductive material present in the sintered body is first and second electrically conductive material.
  • the electrically conductive material apart from an optional coating, is formed only by the at least one first and at least one second electrically conductive material, without a further conductive phase being present to a greater extent.
  • the proportion of one or more other conductive phases or metals is less than 3% by volume.
  • the material of the electrically conductive particles has a resistance with a positive temperature coefficient. This makes it easier to control the electrical heating of the sintered body and supports rapid heating from room temperature.
  • the temperature coefficient of the electrical resistance is close to zero, in particular less than 0.00025 K ⁇ 1 . This is the case, for example, with some copper-nickel alloys such as Konstantan®. Constant has a temperature coefficient of -0.000074 K' 1 . Likewise, NiCrO 2 with a temperature coefficient of -+0.00011 K' 1 can be used.
  • electrically conductive materials in particular metals, which have a temperature coefficient of electrical Resistance of >-0.075 1/K, but preferably >-0.0001 1/K, particularly preferably >0.0001 1/K.
  • the electrically conductive material has a temperature coefficient of the electrical resistance of ⁇ 0.008 1/K.
  • the content of electrically conductive particles used in each case, in particular of the second electrically conductive material, is dependent on the respective material of the electrically conductive particles, in particular on their electrical conductivity and on the shape of the particles used.
  • An embodiment of the invention provides that the maximum distance between two adjacent electrically conductive particles is less than 30 ⁇ m or even less than 10 ⁇ m. Due to this small distance between the electrically conductive particles, the current can flow through electron tunnel effects. According to a development of this embodiment, the electrically conductive particles are at least partially spaced apart from one another. In this case, the electrically conductive particles are insulated from one another by the dielectric material and/or pores. An average distance between adjacent electrically conductive particles of less than 30 ⁇ m, preferably in the range of less than 10 ⁇ m, has proven particularly advantageous.
  • the electrically conductive material is in particulate form, with the particles of the first and second electrically conductive material forming a homogeneous mixture.
  • the electrically conductive particles are held together by the dielectric material.
  • the second electrically conductive particles are homogeneously distributed in the sintered body.
  • the homogeneous distribution of the second electrically conductive particles in the composite ensures that the sintered body has a homogeneous conductivity in the range from 0.1 to 10 5 S/m throughout the volume.
  • the electrical conductivity of the sintered body is in the range from 10 to 10,000 S/m.
  • the electrical conductivity of the sintered body according to the invention enables the corresponding vaporizer to be used in an electronic cigarette.
  • the sintered body has an electrical resistance in the range from 0.05 ohms to 5 ohms, preferably 0.1 to 5 ohms.
  • the evaporator is operated with a voltage in the range from 1 to 12 V and/or with a heating capacity of at least 1 to 500 watts, in particular 1 to 300 watts, preferably 1 to 150 watts. In this case, the evaporator heats up through the application of a current in its entire volume, so that the desorption of the liquid stored in the evaporator begins.
  • devices according to another development can also be operated at voltages of 110V, 220V/230V or even 380V. Electrical resistances of up to 3000 ohms and outputs of up to 1000 W or more are advantageous here.
  • the device is an inhaler for the medical field.
  • the evaporator unit can have higher operating voltages, in particular operating voltages in the range from >12V to 110V, resistances of more than 5 ohms and/or heating outputs of more than 80W.
  • the device is an inhaler for the medical field.
  • the evaporator devices of this development can also be designed for evaporation in larger rooms, for example as a smoke machine.
  • the entire accessible surface of the sintered body made of composite material forms the evaporation surface. Due to the electrical conductivity of the sintered body according to the invention, the current flow takes place over the entire body volume of the sintered body. Accordingly, the liquid to be vaporized is vaporized on the entire surface of the sintered body. Thus, the steam forms not only locally on the lateral surface of the sintered body but also on the inner surface of the sintered body.
  • evaporators which have a local heating device, for example a heating coil or an electrically conductive coating on the outer surfaces of the evaporator body
  • capillary transport from the inside of the sintered body to a local heating device is not necessary, i.e. over relatively long distances, not necessary, since with the evaporator according to the invention whose entire volume is heated.
  • This has an advantageous effect on the service life of the evaporator unit.
  • local overheating of the evaporator can lead to decomposition processes in the liquid to be evaporated.
  • the proportion of dielectric material in the sintered body leads to good mechanical stability and strength of the sintered body.
  • a sintered body in the form of a Composite ie a sintered body in which the dielectric material and electrically conductive particles are distributed homogeneously or at least largely homogeneously, offers the advantage, unlike subsequently coated sintered bodies, that properties of the sintered body, such as its pore size or the proportion of open pores in the sintered body not be adversely affected.
  • the electrical conductivity of the sintered body can be influenced not only by the electrical conductivity of the electrically conductive material used and its content in the sintered body, but also by the particle size of the electrically conductive particles and by the particle shape or particle geometry.
  • the use of electrically conductive particles, in particular for the second electrically conductive material, which deviate from the round particle shape, that is to say essentially spherical particles, has proven to be advantageous.
  • the electrically conductive particles therefore have a flat, platelet-like shape and are also referred to as platelets.
  • the composite has electrically conductive particles with a long-grained or elongated geometry. In particular, these particles have an acicular geometry.
  • platelet-shaped or elongated particles can form a continuous framework of electrically conductive material within the sintered body even with relatively low filling levels, so that the corresponding sintered body has an electrical conductivity in the range according to the invention despite a relatively low filling level of the electrically conductive material. Accordingly, a required electrical conductivity of a sintered body can be achieved with elongate electrically conductive particles with a lower volume fraction than with spherical particles. Other options for reducing this volume part, also compared to elongated particles, often also associated with further reduced costs, can be achieved by platelet-shaped particles.
  • the use of flat, platelet-shaped or elongated electrically conductive particles is particularly advantageous when the degree of filling of the electrically conductive material in the sintered body is relatively low.
  • electrically conductive particles with the geometries described above, a network of electrically conductive material can be formed in the sintered body even with low filling levels, so that electrical conduction can be ensured and when a voltage or a Current flow through the sintered body of a suitable size, for example, a use as a heating element or in an evaporator is made possible.
  • the sintered body has electrically conductive particles with a platelet-shaped or elongated geometry.
  • the electrically conductive particles have a maximum thickness dmax and a maximum length lmax, where dmax ⁇ Imax applies.
  • Electrically conductive particles have proven particularly advantageous for which the following applies: 2 dmax *• Imax, preferably 3 dmax ⁇ Imax, particularly preferably 7 dmax ⁇ Imax.
  • the electrically conductive particles in the sintered body have an average particle size (dso) in the range from 0.1 ⁇ m to 1000 ⁇ m, preferably in the range from 1 to 200 ⁇ m, most preferably from 1 to 50 ⁇ m.
  • the particle sizes, in particular the dso value, of the first and second conductive particles differ.
  • the ratio of the larger to the smaller dso value is preferably at least 2:1, preferably at least 5:1. In specific embodiments, this ratio can also be chosen to be larger, for example at least 7:1 or even at least 10:1.
  • both the first conductive particles and the second conductive particles can have the larger particle sizes or dso values.
  • electrically conductive particles with a smaller particle size, in particular the second electrically conductive material it is advantageous if the degree of filling of the electrically conductive particles in the corresponding sintered bodies is increased in order to achieve sufficient electrical conductivity.
  • the electrical conductivity is reduced by the use of very small electrically conductive particles.
  • Electrically conductive particles that are too large, in particular of the first electrically conductive material can in turn greatly reduce the electrical resistance in the sintered body in local areas, so that the sintered body is inhomogeneous in terms of electrical resistance. This in turn can lead to local overheating in the sintered body and to inhomogeneous evaporation. This effect is all the more pronounced, the greater the electrical conductivity of the corresponding electrically conductive particles.
  • very large electrically conductive Particles and the associated inhomogeneous structure of the sintered body have an adverse effect on its mechanical strength.
  • the pores have an average pore size in the range from 1 m to 1000 m.
  • the average pore size of the open pores of the sintered body is preferably in the range from 50 to 800 ⁇ m, particularly preferably in the range from 100 to 600 ⁇ m.
  • Pores with appropriate sizes are advantageous because they are small enough to generate sufficiently large capillary forces and thus ensure the supply of liquid to be evaporated, especially when used as a liquid store in an evaporator, while at the same time they are large enough to allow the vapor to be released quickly to allow. It is also conceivable to advantageously provide more than one pore size or more than one pore size range, for example a bimodal pore size distribution with large pores and small pores, in a sintered body.
  • the proportion of electrically conductive particles with a given or required electrical conductivity of a sintered body with low porosity can turn out to be lower than in sintered bodies with higher porosity.
  • the respective use or its requirements, as described above, for example the transport of a liquid to be evaporated versus the evaporation capacity, can thus be taken into account by suitable adjustments to the material composition and porosity.
  • the dielectric material in the sintered body is thermally stable to temperatures of at least 300°C or even at least 400°C.
  • the dielectric material has a softening point T g which is below the melting point of the first electrically conductive material, preferably below the melting point of the first and the second electrically conductive material in the sintered body.
  • the dielectric material of the sintered body comprises a glass.
  • the glass content in the sintered body is at least 5% by volume. According to a further embodiment, however, only a small proportion of glass, less than 5% by volume, can be provided, for example in order to bind other particles, for example ceramic particles.
  • the use of glass as the dielectric material is advantageous with regard to the processability in the production of the sintered body and the temperature stability and the mechanical strength. Glasses with no or a relatively low alkali content have proven to be particularly advantageous. Under alkali-free glasses or glasses without alkali content are understood here glasses whose Composition Alkalis are not deliberately added.
  • a low alkali content in particular a low sodium content, is advantageous here from a number of points of view.
  • glasses with a relatively low alkali content show low alkali diffusion even at high temperatures, so that the glass properties do not change or hardly change even when the evaporator is heating.
  • the low alkali diffusion of the glasses is also advantageous when the sintered body is used as an evaporator, since no such components that may escape interact with the electrically conductive material and/or an optionally present coating of the sintered body and/or with the liquid to be evaporated. The latter is particularly relevant when using the optionally coated sintered body as an evaporator in medical inhalers.
  • An alkali content of the glass of at most 15% by weight or even at most 6% by weight has proven particularly advantageous.
  • the evaporator contains a glass as the dielectric material.
  • a borosilicate glass in particular with the following components, has proven to be particularly advantageous:
  • glasses can also be used as the dielectric material.
  • bismuth glasses or zinc glasses have also proven to be suitable.
  • the last-named glasses or similar glasses with other oxides are understood to mean that these include corresponding oxidic components, eg Bi 2 O 3 or ZnO, as an essential component, for example at least 50% by weight or even up to 80% by weight.
  • the thermal expansion behavior of the dielectric component can also be influenced by the selection of the respective dielectric material, in particular a glass. There is a low thermal expansion of this in the application as an evaporator advantageous with regard to thermal shock resistance or thermal cycling of the sintered body. This can occur, for example, when using the composite in an electronic cigarette due to repeated, often very short, heating cycles.
  • the inertness or chemical resistance of the glass is also relevant, for example with regard to possible reactions or their avoidance of glass with electrically conductive material, in particular during the production process of a sintered body by thermal Treatment, for example during the sintering process.
  • the dielectric material it is advantageous for the dielectric material to be inert to the auxiliary materials used in the production process, for example to sintering aids or pore-forming agents.
  • the sintered body for example as an evaporator or a component in an evaporator, high chemical resistance or low reactivity of the glass to the substances to be evaporated, for example propylene glycol, glycerol, water and/or mixtures thereof and/or additives therein, is essential.
  • Glasses with a high chemical resistance are preferably used, in particular glasses with a water resistance of class 3, particularly preferably glasses with a water resistance of class 1 or 2 (measured according to ISO 719). Furthermore, glasses with a low proportion of network modifiers and/or with a high proportion of network formers have proven to be advantageous in terms of their chemical resistance.
  • the glass has a proportion of network formers of at least 50% by weight, preferably a proportion of network formers of at least 70% by weight.
  • Network formers are understood to mean, in particular, glass components which contribute to the formation of oxygen bridges in the glass, for example SiO2, B2O3 and Al2O3.
  • crystallizable glasses or partially crystallized glasses can also be used as dielectric materials if processing below the melting temperature of the first electrically conductive material used is possible. Therefore, when using ceramics as a dielectric material with usually high melting temperatures, especially if these are above those of the metals used, sinter-promoting substances, e.g. a glass, preferably a glass described above, are added so that a liquid phase is formed of this glass, a sintered body is sintered or can be sintered by means of liquid phase sintering. According to one embodiment of the invention, the sintered body has a mixture of at least two different dielectric materials.
  • the dielectric components is a glass.
  • the proportion of glass is at least 5% by volume of the dielectric material.
  • this embodiment can be advantageous in particular in the case of sintered bodies with a total content of dielectric material of less than 25% by volume or even less than 10% by volume.
  • Alternative dielectric components can be glass ceramics, ceramics or plastics, provided processing below the melting temperature of the electrically conductive material used is possible.
  • a glass ceramic within the meaning of the present disclosure is understood to mean the conversion product of a green glass, i.e. a crystallizable glass, by heating to appropriate temperatures at which ceramization takes place.
  • the glass ceramic has both a glassy phase and crystallites.
  • the usually high sintering temperature of the ceramics must be taken into account. Therefore, when ceramics are used as a dielectric material, especially if the sintering temperature of the ceramics is above the melting point of the metals used, sinter-promoting substances are added, so that a liquid phase of precisely this sinter-promoting substance is formed and a sintered body is sintered by means of liquid-phase sintering or .is sinterable. Glasses in particular, and in particular the glasses described above, have proven to be particularly advantageous as sinter-promoting materials.
  • the sintered body has a mixture of at least two different dielectric materials.
  • the dielectric portion of the sintered body is a composite comprising the dielectric materials used in each case.
  • it can be a composite of glass and ceramic.
  • the composite is a compound material.
  • the ceramic proportion is at least 50% by volume, preferably at least 75% by volume, most preferably at least 90% by volume. based on the intended volume fraction of the dielectric material.
  • One embodiment of the invention even provides that the proportion of ceramic in the total dielectric material of the sintered body is at least 80% by volume, preferably at least 90% by volume and very particularly preferably at least 95% by volume. Sintered bodies whose dielectric material is completely or at least almost completely ceramic are also possible without departing from the invention.
  • the then essentially melted glass portion also makes a positive contribution to the coatability of such a sintered body with a ceramic portion of the dielectric material.
  • the grain size of the glass selected is not larger than that of the ceramic component.
  • Bimodal or multimodal distributions with regard to the grain size distributions of the glass and ceramic components are also possible and allow the grain sizes of all materials to be adapted to one another on a case-by-case basis.
  • the addition of a volume fraction of glass or the replacement of a volume fraction of the glass ceramic by a glass can be advantageous with regard to the sinterability of the workpiece.
  • a further variant provides that further materials can be added to a mixture of electrically conductive and dielectric materials in order, for example, to influence the processing or production of a sintered body.
  • This can be, for example, so-called sintering aids for modifying the sintering conditions, eg setting, especially lowering the processing temperature and/or materials that allow the properties of the sintered body to be modified or these can be adjusted.
  • a sinter-promoting agent for example a glass, advantageously a glass as described above, sintering occurs with the formation of a liquid phase at temperatures at which the electrically conductive material does not melt.
  • the thermal conductivity can be adjusted with regard to thermal insulation versus heating capacity, heating rate or heating of surrounding components, for example in the case of an e-cigarette, or also the surface properties of the sintered body with regard to absorption, desorption and/or subsequent flow of media to be evaporated will.
  • the corresponding dielectric materials should in principle have adequate chemical resistance and resistance to water and the components of liquids to be evaporated, for example propylene glycol and glycerin, but also to metals.
  • temperature-stable polymers such as polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK) or polyamides (PA) are suitable as plastics.
  • the evaporator has a mechanical electrical contact, an electrical contact through an electrically conductive connector or a materially bonded electrically conductive connection.
  • the electrical contact is preferably made by a soldered connection.
  • a variant of the invention provides that the sintered body additionally has an electrically conductive coating.
  • An electrically conductive coating that extends over the entire surface of the sintered body has proven to be particularly advantageous.
  • the surfaces of the sintered body, which are formed by the pore surfaces in the interior of the sintered body, are also provided with the electrically conductive coating. This is particularly advantageous since the coated sintered body also has a homogeneous electrical conductivity.
  • ITO indium tin oxide
  • AZO aluminum-doped zinc oxide
  • TiN titanium nitride
  • the coating may also include one of the materials in combination with other layer components.
  • the electrical conductivity of the evaporator can be modified without changing the composition of the sintered body as a result of the additional coating, which, depending on the coating method, can only be applied partially or in sections to a sintered body.
  • the electrical conductivity of the sintered body can be adjusted or set, in particular increased and/or homogenized, by the coating. This can, for example, for the production of evaporators with special high electrical conductivities can be used by coating sintered bodies with a relatively high content of electrically conductive material. This also makes it possible to set a required electrical conductivity based on predetermined basic conductivity of sintered bodies as composites of dielectric material and electrically conductive material by applying suitable layer thicknesses of the coating.
  • any fluctuations in the conductivity of the sintered body or its basic conductivity can also be easily compensated for in this way.
  • a composite with a locally adapted conductivity for example through a local limitation of the conductivity, can be realized. Zones with different electrical conductivities can thus be obtained by lateral structuring of the coating on the sintered body.
  • the sintered body can be divided into local heating zones and/or storage zones. The targeted setting of transport zones and transport routes can also be carried out in this way.
  • the surface properties, for example the surface activity or surface energy, of the sintered body or vaporizer can also be influenced by means of a coating, for example to change or adjust the absorption, transport and release or vaporization of a liquid.
  • the inertness of the sintered body can also be further improved by being passivated, so to speak, by a coating, for example to protect against corrosion, degradation or aging due to reaction with air or with liquid to be evaporated, especially during operation.
  • Thermomechanical properties of the sintered body can also be adjusted, improved or adjusted, such as mechanical strength and/or thermal conductivity.
  • a coating can address one or more of these properties.
  • the sintered body already has electrical conductivity due to the content of the first and second electrically conductive material, only relatively small layer thicknesses are required compared to a coating of sintered bodies that do not contain any electrically conductive material.
  • the amount of coating material required for the sintered body according to its basic electrical conductivity can be reduced, for example by up to 90%, in order to achieve comparable electrical conductivity
  • the average layer thickness of the electrically conductive coating is preferably less than 10 ⁇ m or even less than 1 ⁇ m, down to a few nanometers or a few 10 nm.
  • the necessary or possible layer thickness is essentially dependent on the type and production method of the coating.
  • the coating is made with ITO or TiN.
  • ITO coatings have an electrical conductivity in the range from a few 10 4 S/m to a few 10 6 S/m and a TiN coating from a few S/m to a few 10 -3 S/m. Due to the low layer thicknesses of the coating, on the one hand only a small amount of coating material is required. At the same time, the risk of smaller pores being closed by the coating and thus no longer being available as evaporation volume is significantly reduced.
  • the necessary or sufficient layer thickness depends on the electrical conductivity of the layer material.
  • the layer thickness to be or can be achieved also depends on the coating methods, for example by means of liquid or gas phase deposition, or galvanically. Such methods are used to apply layers, preferably densely and homogeneously, to a sintered body in order to set the required electrical conductivity and the heating behavior required during operation, for example uniformly or locally in the volume of the sintered body.
  • the evaporators according to the invention are particularly suitable for use as a component in an electronic cigarette, a medical inhaler, a fragrance dispenser or a room humidifier.
  • the evaporator can also be used for the indirect evaporation of liquids or solids, for example waxes or resins.
  • a further development of the invention provides that air or gas flows through the sintered body and heats it.
  • One possible use of this development is in medical inhalers. It can also be used as a radiant heater.
  • Another aspect of the invention is the provision of a method for manufacturing an evaporator.
  • the method according to the invention comprises at least the following method steps a) to e): a) providing a first electrically conductive material, a second electrically conductive material and a dielectric material in powder form, b) mixing the powder provided in step a) with a pore former, c) production of a green body from the powder mixture provided in step b) by pressing, casting or extruding, d) heating of the green body provided in step e) to a temperature Tburnout and e) sintering of the green body produced in step c) at a sintering temperature Tsinter.
  • steps c) to e) can also take place in parallel or simultaneously or sequentially in a unit, e.g. an extruder or in injection molding, optionally also comprising step b).
  • a unit e.g. an extruder or in injection molding, optionally also comprising step b.
  • such methods can also be applied to the other dielectric materials, but they are often complex and less easy to control.
  • the term sintering is also understood here as a process step leading to the solidification of such a body.
  • the proportion of the total electrically conductive material in the total materials provided in step a) is a maximum of 95% by volume. According to a preferred embodiment, the proportion of electrically conductive material is in the range from 30 to 90% by volume, preferably in the range from 40 to 80% by volume. Glasses, crystallizable glasses or glass ceramics or ceramics or plastics or mixtures thereof in powder form are provided as the dielectric material in step a). According to one embodiment of the invention, the proportion of dielectric material in the materials provided in step a) is 5 to 70% by volume, preferably 10 to 50% by volume. In this case, the dielectric material preferably has a lower softening or melting point than the electrically conductive material.
  • the sintered body contains glass, crystallizable or at least partially crystallized glass as the dielectric material, the Trü joining temperature of which is below the melting point Tsmp of the first electrically conductive material, preferably below the melting temperature of all electrically conductive materials in the sintered body.
  • the Trüge joining temperature is understood to mean the temperature range in which the viscosity of the glass is in the range between 10 4 and 10 8 dPas.
  • the joining temperature Trüge is preferably at least 10° C., preferably at least 50° C., below the melting temperature of the first electrically conductive material and/or the second electrically conductive material.
  • the proportion of dielectric material is in the range from 5 to 70% by volume, preferably in the range from 10 to 60% by volume and particularly preferably in the range from 15 to 40% by volume.
  • glass, glass ceramics, ceramics or mixtures thereof or plastics in powder form are provided as the dielectric material.
  • step b) at least one pore-forming agent is added to the powder provided in step a), and a homogeneous mixture is produced.
  • the proportion of pore-forming agent in the mixture provided in step b) is preferably 40 to 80% by volume, preferably 50 to 75% by volume.
  • a green body is produced from the mixture provided in step b). This can be done, for example, by pressing or extrusion processes or by a casting process.
  • a slip is produced from the mixture provided in step b) and subsequently cast.
  • the pore former has a decomposition temperature T decomposition and/or an evaporation temperature T vaporization which is below the sintering temperature T sinter in step d) and/or below the joining temperature T rt of the dielectric material.
  • T decomposition and/or an evaporation temperature T vaporization which is at least 10° C., preferably at least 50° C. and particularly preferably at least 100° C. below the sintering temperature T sinter and/or at least 10° C., preferably at least 50°C lower than the T joining temperature of the dielectric material.
  • an organic material for example based on polysaccharides, is used as the pore former.
  • the use of inorganic salts is also possible, provided their decomposition temperature and/or evaporation temperature is below the joining temperature of the dielectric glass.
  • the green body is sintered.
  • the sintering temperature corresponds at least to the softening point of the dielectric material, so that the dielectric material forms a coherent matrix as a result of the sintering process.
  • the sintering temperature is lower than the melting temperature of the electrically conductive material, so that the particle structure of the electrically conductive material is at least largely retained.
  • step e) the sintering can take place at a temperature which enables a sintered body with high mechanical strength. Since the melting point Tschmeiz of the first electrically conductive material is both above the burnout temperature Tburnout in step d) and above the joining temperature Trü of the dielectric material, the green body or the workpiece has high dimensional stability throughout the entire manufacturing process, even after the pore-forming agent has been removed.
  • the melting point Tschmeiz of the first electrically conductive material is above the sintering temperature Tsinter in step e).
  • the first electrically conductive material therefore has the function of a shape stabilizer during the production process and thus enables the production of dimensionally stable, porous sintered bodies.
  • the burnout in step c) means that a washing process after the sintering process to remove the pore-forming agent can be dispensed with.
  • the comparatively high melting point of the first electrically conductive material also ensures that the dimensional stability of the electrically conductive particles in the sintered body and thus also the electrical conductivity of the sintered body is not impaired by the sintering process.
  • the melting point of the second electrically conductive material is therefore preferably also above the sintering temperature Tsinter in step e).
  • the sintered bodies produced using the method according to the invention have a high mechanical stability, so that post-processing of the sintered body, for example for surface treatment or shaping, is possible.
  • the sintered body is ground, drilled, polished, milled and/or turned in a step f) following step e).
  • step g) of the sintered body which follows steps e) and/or f). Contacting by applying an electrically conductive paste has proven to be particularly advantageous.
  • the dielectric material provided in step a) has a thermal stability to temperatures of at least 300° C. or even at least 400 °C.
  • a glass is provided as the dielectric material.
  • the glass provided in step a) has a transformation temperature T g in the range of more than 300°C, in particular in the range from 500 to 800°C.
  • T g transformation temperature
  • step d) sintering can be carried out at sintering temperatures which ensure the dimensional stability of the electrically conductive particles.
  • the glass transition temperature is well above the operating temperature of the evaporator.
  • An embodiment of the invention provides that in step a) a glass with an alkali content ⁇ 15% by weight or even ⁇ 6% by weight or even an alkali-free glass is provided.
  • Corresponding glasses show a high mechanical strength, good chemical and thermal resistance and do not react at all or hardly at all with the electrically conductive materials even at high temperatures.
  • a borosilicate glass is preferably provided as the dielectric material in step a).
  • the electrically conductive particles provided in step a) have an average particle size (dso) in the range from 0.1 to 1000 ⁇ m, preferably in the range from 1 to 50 ⁇ m.
  • the particles of the dielectric material provided in step a) have an average particle size (dso) in the range from 1 to 50 ⁇ m.
  • the mean particle size (dso) of the dielectric material is less than 30 ⁇ m.
  • Corresponding particle sizes of the dielectric material lead to sintered bodies in which the maximum distance between adjacent electrically conductive particles is less than 30 ⁇ m or even less than 10 ⁇ m. This ensures current conduction in the corresponding sintered body even with low levels of electrically conductive material.
  • a particularly homogeneous mixture can also be obtained by matching the grain sizes of the powders of dielectric and electrically conductive material so that segregation or demixing of the powders or agglomeration of a powder due to widely differing grain sizes is avoided.
  • a homogeneous mixture in step b) in turn has an advantageous effect on the homogeneity of the composite and thus also on the homogeneity of the electrical conductivity. Furthermore, grain sizes of the powder or of a powder that are too small should be avoided as far as possible, even if these are matched to one another in terms of grain sizes, in order to minimize unnecessary dust generation during their processing.
  • the first electrically conductive materials used in step a) are materials with an electrical conductivity of at most 30 S/pm, preferably titanium, chromium, steel, manganese, silicon or corresponding alloys. Combinations of the above materials are also possible.
  • the particles of the electrically conductive material provided in step a), in particular of the second electrically conductive material have a platelet-shaped geometry, preferably a platelet-shaped geometry with a maximum thickness d max and a maximum length Imax, where d max applies ⁇ Imax up.
  • d max applies ⁇ Imax up.
  • Corresponding geometries are particularly suitable for use in sintered bodies with a small proportion of electrically conductive materials, ie in sintered bodies in which a current flow is realized to a large extent by electron tunnel currents.
  • platelet-shaped particles whose maximum length is at least twice the maximum width have proven to be advantageous.
  • the ratio of the maximum thickness to the maximum length is 1:2 to 1:7.
  • step h) after step e) and/or step f) an electrically conductive coating, in particular a coating, particularly preferably an oxidic ITO or AZO or nitridic, in particular TiN-containing, or metallic Coating applied to the sintered body.
  • a coating particularly preferably an oxidic ITO or AZO or nitridic, in particular TiN-containing, or metallic Coating applied to the sintered body.
  • the coating is applied to the surface of the sintered body by means of a sol-gel process or a CVD process. It is also conceivable, especially since the sintered body already has at least one basic conductivity, to also consider galvanically applicable or processable layer materials, for example gold, silver or copper and/or combinations thereof, for example as a layer sequence.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a conventional evaporator
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a sintered body with electrical contacting on the lateral surfaces of the sintered body
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an embodiment of an evaporator according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an embodiment of a sintered body according to the invention in cross section
  • FIG. 5 shows an enlarged detail of the cross section shown in FIG. 4 and
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment with an additional electrically conductive coating on the sintered body.
  • a heating coil 3 is positioned in the upper portion of the sintered body 2 so that the corresponding portion 2a of the sintered body 2 is heated by heat radiation. The heating coil 3 is therefore brought very close to the lateral surfaces of the sintered body 2 and should not touch the lateral surfaces if possible. In practice, however, direct contact between the heating wire and the jacket surface is often unavoidable.
  • the liquid 1 evaporates in the heating area 2a. This is represented by the arrows 5.
  • FIG. The evaporation rate depends on the temperature and the ambient pressure. The higher the temperature and the lower the pressure, the faster the evaporation of the liquid in the heating area 2a.
  • the liquid 1 evaporates only locally on the lateral surfaces of the heating area 2a of the sintered body, this local area must be heated with relatively high heating power in order to achieve rapid evaporation within 1 to 2 seconds. Therefore high temperatures of more than 200°C have to be applied. Height
  • heating power particularly in a locally narrowly limited area, can lead to local overheating and thus possibly to decomposition of the liquid 1 to be evaporated and the material of the liquid reservoir or wick.
  • a unit for example a voltage, power and/or temperature adjustment, control or regulation unit (not shown here) can be installed, which, however, is at the expense of battery life and limits the maximum amount of evaporation.
  • Disadvantages of the evaporator shown in FIG. 1 and known from the prior art are the local heating method and the associated ineffective heat transport, the complex and expensive control unit and the risk of overheating and decomposition of the liquid to be evaporated and the storage/wick material.
  • FIG. 2 shows an evaporator unit known from the prior art, in which the heating element 30 is arranged directly on the sintered body 20 .
  • the heating element 30 is firmly connected to the sintered body 20 .
  • Such a connection can be achieved in particular by the heating element 30 being in the form of a layer resistor.
  • an electrically conductive coating structured like a ladder is applied to the sintered body 20 in the manner of a layer resistor.
  • a coating applied directly to the sintered body 20 as a heating element 30 is advantageous, among other things, in order to achieve good thermal contact, which enables rapid heating.
  • the evaporator unit shown in FIG. 2 also has only a locally limited evaporation surface, so that there is also a risk of the surface overheating here.
  • FIG 3 schematically shows the structure of an evaporator with a sintered body 6 according to the invention.
  • the porous sintered body 2 in FIGS. 1 and 2 it is immersed in the liquid 1 to be evaporated.
  • the liquid to be evaporated is transported into the entire volume of the sintered body 6 by capillary forces (represented by the arrows 4).
  • capillary forces represented by the arrows 4
  • the sintered body 6 is large surface heated.
  • FIG Volume area between the electrical contacts of the sintered body 6 formed A capillary transport to the lateral surfaces or heated surfaces or elements of the sintered body 6 is therefore not necessary.
  • the evaporation in the volume proceeds much more efficiently than by means of a heating coil in a locally limited heating area, the evaporation can take place at much lower temperatures and with a lower heating power.
  • a lower electrical power requirement is advantageous insofar as this increases the usage time per battery charge or smaller rechargeable batteries or batteries can be installed.
  • the sintered body 10 has a composite material
  • the composite material 11 has an electrical conductivity in the range from 0.1 to 10 5 S/m. If a voltage is applied to the sintered body 10, current flows through the entire volume of the sintered body 10 and is thus heated. A section of the sintered body 10 is shown enlarged in FIG. 5 .
  • the composite material 11 contains as a main component the first electrically conductive material 13a and between or on the first electrically conductive material 13a, preferably homogeneously, electrically conductive particles of the second electrically conductive material 13b. In this case, the electrically conductive particles 13a and 13b are held together by the dielectric material 13c. In the embodiment shown in FIG. 5, the electrically conductive particles 13a and 13b have a platelet-shaped geometry.
  • the sintered body 10 can be heated by a current flow. Accordingly, a heating device in the form of a power source can be provided for this purpose. In general, however, inductive heating is also possible without restriction to specific exemplary embodiments. Accordingly, in one embodiment, an inductive heating device is provided for this purpose, which is set up to generate an induction field. For inductive heating, the sintered body 10 is designed to absorb energy from the induction field and heat up as a result. In general, inductive heating is particularly easy to implement when the sintered body comprises an electrically conductive material that is ferromagnetic. For this purpose, a ferromagnetic high-grade steel is preferably provided as a first conductive material. Electrically conductive materials selected in this way also open up the possibility of carrying out the sintering process by means of inductive heating can be. Heating in the sintering process using microwaves or capacitive technology is also conceivable.
  • a corresponding sintered body 6 as example 1 with an electrical conductivity of approx. 1 S/m and a porosity of approx -150pm) and 10 Vol% silver (d50 of 1-1 Opm) are obtained in step a).
  • a pore-forming agent preferably an organic pore-forming agent, is added, followed by the production of a green body. This is subsequently heated by thermal treatment in a regular furnace atmosphere to a temperature which approximately corresponds to the softening point of the glass used and sintered to form the sintered body 6 .
  • the sintered body has a porosity of 55% by volume.
  • the composite material contains 23% by volume borosilicate glass (FIOLAX®) as the dielectric material, 60% by volume stainless steel 1.4404 as the first electrically conductive material and 17% by volume silver as the second electrically conductive material.
  • the particles of the electrically conductive materials have an average grain size d50 in the range from 20 to 60 ⁇ m.
  • the electrical conductivity of the sintered body is 2000 S/m.
  • the electrical conductivity is determined by measuring the resistance, e.g ), arranged or attached manually, mechanically.
  • the dielectric portion of the sintered body contains both glass and ceramic.
  • the ceramic portion in the dielectric material is 85% by volume and the portion of glass in the dielectric material is 15% by volume. Electrical conductivities in the range from 1 to 10 S/m can also be obtained here.
  • a glass-ceramic proportion can also be formed by presenting a crystallizable glass in the green body, which during sintering with the appropriate Temperature for a ceramization of this glass ceramized and then exists as a glass ceramic. Below such a temperature, a crystallizable glass remains in the glassy state.
  • FIG. 6 shows an SEM photograph of a cross section through a sintered body according to the invention as a further exemplary embodiment.
  • stainless steel was used as the framework-forming metal.
  • the stainless steel particles are essentially round, in particular oval to spherical. Some of these round particles 23 can be seen as round, light gray elements in the SEM image. In the REM image, the glass shows a similar contrast to the stainless steel and can therefore hardly be differentiated in the image.
  • the sintered particles 24 of the second electrically conductive material, here silver particles appear as very light areas. The pores can be seen in the image as black areas.
  • the mean grain sizes of the first and the second conductive material can be different.
  • the average grain size of the second electrically conductive material is preferably smaller than the average grain size of the first electrically conductive material (stainless steel particles in the example).
  • FIG. 7 shows the structure of a coated sintered body 6 with open porosity using a schematic cross section through a further exemplary embodiment.
  • the coated sintered body 1 has a porous composite material 11 made of dielectric material, first electrically conductive material and second electrically conductive material with open pores 12a, 12b. A portion of the open pores 12b forms the lateral surfaces of the sintered body with their pore surface, while another portion of the pores 12a form the interior of the sintered body. All surfaces of the sintered body have an electrically conductive coating 9a, for example in the form of an ITO coating. If a voltage is applied to the sintered body, the current flows through the entire volume of the sintered body.
  • a correspondingly coated sintered body 6 as example 8 can be obtained here by first producing a sintered body with a relatively low electrical conductivity in the range from 0.1 to 100 S/m. In order to obtain the desired, higher electrical conductivity, for example in the range from 100 to 600 S/m, the sintered body is subsequently provided with an electrically conductive coating, for example a coating containing ITO or AZO. Due to the basic electrical conductivity of the sintered body, 50% less coating material is required here (compared to a sintered body without electrically conductive material). Furthermore, the coating process is also less time consuming. In this way, the process time required for the coating process can be reduced by up to 70%.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer umfassend einen porösen Sinterkörper, wobei der Sinterkörper durch ein Komposit aus mindestens einem ersten elektrisch leitfähigen Material und zumindest einem zweiten elektrisch leitfähigen Material sowie mindestens einem dielektrischen Material gebildet wird. Der Sinterkörper weist eine offene Porosität im Bereich von 10 bis 90 % auf, wobei das dielektrische Material ausgewählt wird aus der Gruppe Glas, kristallisierbares Glas und/oder Glaskeramik. Das erste elektrisch leitfähige Material weist eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit als das zweite elektrisch leitfähige Material. Der Anteil an dielektrischem Material im Komposit beträgt 5 bis 70 Vol.-%, der Anteil an erstem elektrisch leitfähigem Material im Komposit 10 bis 90 Vol.-% und der Anteil an zweitem elektrisch leitfähigem Material 5 bis 50 Vol.-% und der Sinterkörper eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 105 S/m aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Sinterkörpers sowie die Verwendung eines porösen Sinterkörpers in einem Verdampfer.

Description

Elektrisch leitfähiger, poröser Sinterkörper mit zumindest zwei elektrisch leitfähigen Materialien und Verfahren zu dessen Herstellung
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen einen elektrisch leitfähigen, porösen Sinterkörper. Im Speziellen betrifft die Erfindung eine Verdampfereinheit umfassend einen Flüssigkeitsspeicher bzw. Flüssigkeitspuffer und eine Heizeinheit zur Speicherung und geregelten Abgabe von verdampfbaren Substanzen. Die Verdampfereinheit kann hierbei insbesondere in elektronischen Zigaretten, in Verabreichungsgeräten von Medikamenten, Raumbefeuchter und/oder beheizbaren Evaporatoren verwendet werden. Bei den Evaporatoren kann es sich hierbei um Vorrichtungen zur Bereitstellung, Abgabe und/oder Verbreitung von Substanzen in eine Gasphase, beispielsweise in die Raumluft, in Form von Gasen, Dämpfen und/oder Aerosolen handeln. Als Substanzen können beispielsweise Duftstoffe oder Wirkstoffe, insbesondere Insektenrepellents, verwendet werden.
Elektronische Zigaretten, im Folgenden auch als E-Zigaretten bezeichnet, oder ähnliche Vorrichtungen wie beispielsweise elektrische Pfeifen oder Shishas, finden im zunehmenden Maße als Alternative zu Tabakzigaretten Verwendung. Typischerweise umfassen die elektronischen Zigaretten ein Mundstück und eine Verdampfereinheit sowie eine elektrische Energiequelle, die in Wirkverbindung mit der Verdampfereinheit steht. Die Verdampfereinheit weist einen Flüssigkeitsspeicher auf, der mit einem Heizelement verbunden ist.
Bestimmte Medikamente, insbesondere Medikamente für die Behandlung von Atemwegen und/oder der Mund- und/oder Nasenschleimhaut, werden vorteilhaft in einer gasförmigen oder verdampften Form verabreicht, z.B. als Aerosol. Erfindungsgemäße Verdampfer können für die Speicherung und Abgabe solcher Medikamente eingesetzt werden, insbesondere in Verabreichungsgeräten für solche Medikamente.
Thermisch beheizbare Evaporatoren werden zunehmend dazu eingesetzt, ein Ambiente mit Duftstoffen zu versehen. Dies können insbesondere Bars, Hotellobbies und/oder Fahrzeuginnenräume sein, beispielsweise die Innenräume von Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen. Auch bei der dabei eingesetzten Verdampfereinheit ist ein Flüssigkeitsspeicher mit einem Heizelement verbunden. Der Flüssigkeitsspeicher enthält eine Flüssigkeit, bei der es sich zumeist um eine Trägerflüssigkeit wie beispielsweise Propylenglykol oder Glycerin handelt, in der Zusatzstoffe wie Duft- und Aromastoffe und/oder Nikotin und/oder Medikamente gelöst und/oder generell enthalten sind. Die Trägerflüssigkeit wird durch Adsorptionsprozesse auf der inneren Oberfläche des Flüssigkeitsspeichers gebunden. Gegebenenfalls ist ein separates Flüssigkeitsreservoir vorgesehen, um dem Flüssigkeitsspeicher Flüssigkeit zuzuführen.
Allgemein gilt, die im Flüssigkeitsspeicher gespeicherte Flüssigkeit wird durch eine Erwärmung eines Heizelements verdampft, desorbiert von der benetzten Oberfläche des Flüssigkeitsspeichers und kann vom Benutzer inhaliert werden. Hierbei können Temperaturen von über 200°C erreicht werden.
Der Flüssigkeitsspeicher bzw. Flüssigkeitspuffer muss daher eine hohe Aufnahmefähigkeit und eine hohe Adsorptionswirkung aufweisen, gleichzeitig muss die Flüssigkeit bei hohen Temperaturen schnell abgegeben bzw. transportiert werden.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Materialien zur Verwendung als Flüssigkeitsspeicher oder Docht bekannt. So können Flüssigkeitsspeicher oder Docht durch ein poröses oder faseriges, organisches Polymer gebildet werden. Entsprechende Bauteile können zwar recht einfach hergestellt werden, jedoch besteht hier die Gefahr, dass beispielsweise durch ein Trockenlaufen des Bauteils das polymere Material zu hoch erhitzt wird und sich zersetzt. Dies wirkt sich nicht nur nachteilig auf die Lebensdauer des Flüssigkeitsspeichers bzw. Dochts und somit der Verdampfereinheit aus, sondern es besteht zudem die Gefahr, dass Zersetzungsprodukte des zu verdampfenden Fluids oder sogar des Flüssigkeitsspeichers freigesetzt und vom Benutzer eingeatmet werden.
Aus dem Stand der Technik sind elektronische Zigaretten mit porösen Flüssigkeitsspeichern aus organischen Polymeren bekannt. Auf Grund der geringen Temperaturstabilität des polymeren Materials besteht daher die Notwendigkeit, einen Mindestabstand zwischen dem Heizelement und dem Flüssigkeitsspeicher einzuhalten. Dies verhindert eine kompakte Bauweise der Verdampfereinheit und somit der elektronischen Zigarette. Alternativ zur Einhaltung eines Mindestabstandes kann ein Docht Verwendung finden, der die zu verdampfende Flüssigkeit durch Kapillarwirkung an die Heizwendel führt. Dieser Docht ist meist aus Glasfasern gefertigt. Diese weisen zwar eine hohe Temperaturstabilität auf, jedoch können die einzelnen Glasfasern leicht brechen. Ähnliches gilt wenn auch der Flüssigkeitsspeicher selbst aus Glasfasern hergestellt ist. Daher besteht das Risiko, dass der Benutzer lockere oder angelöste Faserbruchstücke einatmet. Alternativ können auch Dochte aus Cellulosefasern, Baumwolle oder Bambusfasern eingesetzt werden. Diese weisen zwar eine geringe Bruchgefahr als Dochte aus Glasfasern aus, jedoch sind sie weniger temperaturstabil.
Daher werden auch Verdampfereinheiten verwendet, deren Flüssigkeitsspeicher aus porösen Gläsern oder Keramiken bestehen. Auf Grund der höheren Temperaturstabilität dieser Flüssigkeitsspeicher kann eine kompaktere Bauweise des Verdampfers und somit auch der elektronischen Zigarette insgesamt realisiert werden.
Die lokale Verdampfung kann in der Praxis durch einen niedrigen Druck, verbunden mit einer hohen Temperatur erzielt werden. Bei einer elektronischen Zigarette wird der niedrige Druck beispielsweise durch den Saugdruck beim Ziehen an der Zigarette während des Konsums realisiert, eine Regelung des Drucks erfolgt somit durch den Konsumenten. Die für die Verdampfung benötigten Temperaturen im Flüssigkeitsspeicher werden durch eine Heizeinheit erzeugt. Hierbei werden in der Regel Temperaturen von mehr als 200°C erreicht, um eine schnelle Verdampfung zu gewährleisten.
Meist erfolgt die Bereitstellung der Heizleistung durch eine elektrische, mittels Batterie oder Akkumulator, betriebene Heizspirale. Die benötigte Heizleistung ist dabei abhängig vom zu verdampfenden Volumen und der Effektivität der Heizung. Um eine Zersetzung der Flüssigkeit durch zu hohe Temperaturen zu vermeiden, soll der Wärmetransport von der Heizspule zur Flüssigkeit durch kontaktfreie Strahlung erfolgen. Hierzu wird die Heizspirale möglichst nahe an die Verdampfungsoberfläche angebracht, bevorzugt, ohne diese jedoch zu berühren. Berührt die Spule dagegen die Oberfläche, wird die Flüssigkeit oft überhitzt und zersetzt.
Eine Überhitzung der Oberfläche kann sich jedoch auch bei einem Wärmetransport durch kontaktlose Strahlung einstellen. Die Überhitzung entsteht meistens lokal an der Oberfläche des Verdampfers gegenüber der Heizspule. Dies ist der Fall, wenn im Betrieb eine große Dampfmenge benötigt wird und der Flüssigkeitstransport zur Oberfläche des Verdampfers nicht schnell genug erfolgt. Somit kann die Energiezufuhr vom Heizelement nicht zur Verdampfung verbraucht werden, die Oberfläche trocknet aus und kann lokal auf Temperaturen weit oberhalb der Verdampfungstemperatur erhitzt werden und/oder die Temperaturstabilität des Flüssigkeitsspeichers wird überschritten. Daher ist eine genaue Temperatureinstellung und/oder - Steuerung unerlässlich. Nachteilig hierbei ist jedoch der daraus resultierende komplexe Aufbau der elektronischen Zigarette, was sich unter anderem in hohen Herstellungskosten äußert. Zudem verringert ggf. die Temperaturregelung die Dampfentwicklung und somit die maximal mögliche Dampfintensität.
Die EP 2 764 783 A1 beschreibt eine elektronische Zigarette mit einem Verdampfer, der einen porösen Flüssigkeitsspeicher aus einem gesinterten Material aufweist. Das Heizelement kann als Heizspirale oder als eine elektrisch leitende Beschichtung ausgebildet sein, wobei die Beschichtung nur auf Teilen der Mantelflächen des Flüssigkeitsspeichers abgeschieden ist. Somit erfolgt auch hier die Verdampfung lokal begrenzt.
In der US 2011/0226236 A1 wird ein Inhalator beschrieben, bei dem der Flüssigkeitsspeicher und das Heizelement stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Flüssigkeitsspeicher und Heizelement bilden dabei ein flaches Verbundmaterial. Der Flüssigkeitsspeicher, beispielsweise aus einem offenporigem Sinterkörper, fungiert als Docht und leitet die zu verdampfende Flüssigkeit zum Heizelement. Das Heizelement ist dabei auf einer der Oberflächen des Flüssigkeitsspeichers, beispielsweise in Form einer Beschichtung, aufgebracht. Auch hier erfolgt somit die Verdampfung lokal begrenzt auf der Oberfläche, so dass die Gefahr einer Überhitzung ebenfalls gegeben ist.
Um diese Problematik zu umgehen, sind aus dem Stand der Technik Verdampfereinheiten bekannt, bei denen die Verdampfung nicht nur an der Oberfläche des Flüssigkeitsspeichers, sondern über dessen gesamtes Volumen erfolgt. Der Dampf entwickelt sich nicht nur lokal an der Oberfläche, sondern im gesamten Volumen des Flüssigkeitsspeichers. Somit ist der Dampfdruck innerhalb des Flüssigkeitsspeichers weitgehend konstant und ein Kapillartransport der Flüssigkeit zur Oberfläche des Flüssigkeitsspeichers ist weiterhin gewährleistet. Entsprechend wird die Verdampfungsgeschwindigkeit nicht länger durch den Kapillartransport minimiert. Voraussetzung für einen entsprechenden Verdampfer ist ein elektrisch leitendes und poröses Material. Legt man eine elektrische Spannung an, erwärmt sich das ganze Volumen des Verdampfers und die Verdampfung findet überall im Volumen statt.
Entsprechende Verdampfer werden in der US 2014/0238424 A1 und US 2014/0238423 A1 beschrieben. Hierbei werden Flüssigkeitsspeicher und Heizelement in einem Bauteil kombiniert, beispielsweise in Form eines porösen Körpers aus Metall oder einem Metallnetz. Nachteilig ist hier jedoch, dass bei den beschriebenen porösen Körpern das Verhältnis von Porengröße zu elektrischem Widerstand nicht einfach eingestellt werden kann. Auch kann es nach dem Aufbringen der leitfähigen Beschichtung durch ein darauffolgendes Sintern zu einer Degradation der Beschichtung kommen. Die im oben genannten Stand der Technik beschriebenen Materialien sind jedoch nicht oder nur bedingt geeignet, um mittels eines Sinterprozesses Verbundstoffe herzustellen, die sowohl eine hohe, einstellbare Porosität als auch gute elektrische Leitfähigkeiten aufweisen. Generell sind Keramiken aufgrund ihrer feinen Porosität und rauen Oberfläche auch schwierig durchgehend zu beschichten.
In der DE 10 2017 123 000 A1 werden daher Verdampfer umfassend einen Sinterkörper aus Glas oder Glaskeramik, dessen gesamte Oberfläche eine leitfähige Beschichtung aufweist. Somit findet, anders als bei Sinterkörpern, die nur auf der äußeren Oberfläche eine entsprechende Beschichtung aufweisen, eine Verdampfung nicht nur auf der äußeren Oberfläche, sondern auch im Inneren des Sinterkörpers statt. Zur Herstellung entsprechender Verdampfer wird zunächst ein poröser Sinterkörper aus Glas oder Glaskeramik erzeugt, welcher in einem nachfolgenden Schritt mit einer relativ dicken, leitfähigen Beschichtung, beispielsweise in Form einer ITO-Beschichtung versehen wird. Nachteilig ist jedoch, dass der Herstellungsprozess durch den hohen Materialbedarf an leitfähigen Material wie beispielsweise ITO kostenintensiv wird. Darüber hinaus werden durch das nachträgliche Aufbringen einer dicken Beschichtung die Eigenschaften des Sinterkörpers ggf. nachteilig verändert. Insbesondere können kleine Poren im Sinterkörper durch die Beschichtung verschlossen und somit die aktive Oberfläche des Sinterkörpers verringert werden.
Bei Verwendung von Glas als Hauptkomponente des Sinterkörpers kann zudem die Problematik einer geringen Formstabilität des Sinterkörpers bzw. seines Vorläufers während der Herstellung auftreten. So weisen die verwendeten Gläser zwar ein gutes Fügeverhalten auf, jedoch führen die hierfür notwenigen, relativ niedrigen Erweichungstemperaturen zu einer geringen Formstabilität des Werkstücks bei hohen Temperaturen. Insbesondere bei der Herstellung von Sinterkörpern mit einer hohen Porosität, welche für die Verwendung als Verdampfer oder Flüssigkeitsspeicher benötigt wird, kann dies zu einer Verformung oder Schrumpfung des Werkstücks während des Sinterprozesses führen. Neben einer geringen Formtreue zwischen Grünkörper und Sinterkörper kann sich dies auch nachteilig auf die Porosität des Sinterkörpers auswirken. Daher werden in den bekannten Verfahren vorrangig Porenbildner verwendet, welche erst nach Abschluss des Sintervorgangs aus dem Sinterkörper entfernt werden und somit das Werkstück während des Sinterns stabilisieren. Üblicherweise handelt es sich bei den verwendeten Porenbildnern um wasserlösliche Salze mit einer hohen Temperaturstabilität und einem hohen Schmelzpunkt. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass nur eine begrenzte Auswahl an Porenbildnern zu Verfügung steht. Zudem wird für das Auswaschen des Porenbildners ein zusätzlicher Verfahrensschritt benötigt.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Sinterkörper bereit zu stellen, der insbesondere zur Verwendung als Verdampfer in elektronischen Zigaretten und/oder Verabreichungsgeräten von Medikamenten und/oder thermisch beheizten Evaporatoren von Duftstoffen geeignet ist und der die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verdampfers umfassend einen Sinterkörper. So wird durch die Erfindung eine gute Beheizbarkeit und einfache Einsteilbarkeit von elektrischem Widerstand und Porosität des Flüssigkeitsspeichers angestrebt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines entsprechenden elektrisch leitfähigen Sinterkörpers. Zudem besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, die Verwendung des Sinterkörpers in einem Verdampfer zu ermöglichen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Sinterkörper ist insbesondere zur Verwendung in einer Verdampfereinheit geeignet. Ein erfindungsgemäßer Verdampfer umfasst den elektrisch leitfähigen Sinterkörper.
Der elektrisch leitfähigen Sinterkörper ist als Komposit aus zumindest zwei elektrisch leitenden Materialen und zumindest einem dielektrischen Material ausgebildet. Der Sinterkörper weist hierbei zumindest ein erstes elektrisch leitfähiges Material und zumindest ein zweites elektrisch leitfähiges Material auf, wobei das erste elektrisch leitfähige Material eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit, als das zweite elektrisch leitfähige Material aufweist. Bevorzugt liegt die elektrische Leitfähigkeit des ersten elektrisch leitfähigen Material bei kleiner als 30 S/pm, insbesondere bis zu 10 S/pm. Weiterhin weist das zweite elektrisch leitfähige Material vorzugsweise eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 10 S/pm, besonders bevorzugt mehr als 30 S/pm auf. Generell bezeichnen die hier genannten Werte der Leitfähigkeit deren Wert bei Raumtemperatur. Insbesondere bildet das zumindest eine erste leitfähige Material ein Gerüst für den Sinterkörper. Dieses Gerüst dient dazu, ein stabiles Element zu schaffen, was auch bei der Sintertemperatur mechanisch stabil bleibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eines der verwendeten elektrisch leitfähigen Materialien, also das erste oder das zweite elektrisch leitfähige Material einen Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten auf. Besonders bevorzugt weisen beide elektrisch leitfähigen Materialien einen solchen positiven Temperaturkoeffizienten auf. Dies erleichtert die Regelung der elektrischen Beheizung des Sinterkörpers und unterstützt eine schnelle Aufheizung ausgehend von Raumtemperatur.
Im porösen Verdampfer wird durch adsorptive Wechselwirkungen eine Trägerflüssigkeit gespeichert, die beispielsweise Duft- und Aromastoffe und/oder Medikamente einschließlich von in geeigneten Flüssigkeiten gelösten Wirkstoffen und/oder Nikotin enthalten kann. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung werden durch die elektrische Leitfähigkeit des Verdampfers hohe Temperaturen erzeugt, so dass die Trägerflüssigkeit verdampft wird, von der benetzten Oberfläche des Verdampfers desorbiert und der Dampf vom Benutzer inhaliert werden kann.
Der Sinterkörper weist eine offene Porosität im Bereich von 10 bis 90 %, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 75% bezogen auf das Volumen des Sinterkörpers auf. Hierdurch weist der Sinterkörper eine große innere Oberfläche zur Desorption bei einer gleichzeitigen hohen mechanischen Stabilität auf und ermöglicht einen guten Nachfluss der zu verdampfenden Flüssigkeit bzw. des zu verdampfenden Mediums.
Bevorzugt liegen mindestens 90 %, insbesondere mindestens 95% des gesamten Porenvolumens als offene Poren vor. Die offene Porosität kann dabei mit Messverfahren gemäß der DIN EN ISO 1183 und DIN 66133 bestimmt werden. Der Sinterkörper enthält vorzugsweise nur einen geringen Anteil an geschlossenen Poren. Dadurch weist der Sinterkörper nur ein geringes Totvolumen, d.h. ein Volumen, welches nicht zur Aufnahme und Abgabe der zu verdampfenden Flüssigkeit beiträgt, auf.
Bevorzugt weist der Sinterkörper einen Anteil an geschlossenen Poren von weniger als 15 % oder sogar weniger als 10 % des Gesamtvolumens des Sinterkörpers auf. Zur Bestimmung des Anteils der geschlossenen Poren kann die offene Porosität wie oben beschrieben bestimmt werden.
Die Gesamtporosität wird aus der Dichte des Körpers errechnet. Als Anteil der geschlossenen Poren ergibt sich dann die Differenz aus Gesamt-Porosität und offener Porosität. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Sinterkörper sogar einen Anteil an geschlossenen Poren von weniger als 5 % des Gesamtvolumens auf, die prozessbedingt auftreten können.
Als dielektrisches Material enthält der Sinterkörper eines der Materialien Glas, Keramik, Glaskeramik, Kunststoff oder eine Kombination dieser Materialien.
Dielektrisches Material und elektrisch leitfähige Materialien bilden hierbei das Kompositmaterial des Sinterkörpers. Als Dielektrikum, beziehungsweise dielektrisches Material wird im Sinne dieser Offenbarung insbesondere eine elektrisch schwach- oder nichtleitende Substanz bezeichnet, in der die vorhandenen Ladungsträger nicht frei beweglich, oder zumindest bei Raumtemperatur nicht frei beweglich sind.
Der Anteil an dielektrischem Material beträgt zumindest 5 Vol-%, wobei eine Ausführungsform der Erfindung einen Anteil an dielektrischem Material am Kompositmaterial im Bereich von 5 bis 70 VoL-%, bevorzugt im Bereich von 10 bis 50 VoL-% vorsieht. Der Gesamtanteil an elektrisch leitfähigem Material am Kompositmaterial beträgt höchstens 95 Vol.- %. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Anteil an elektrisch leitfähigem Material am Kompositmaterial insgesamt 30 bis 95 VoL-%, vorzugsweise 50 bis 90 Vol.%. Die oben aufgeführten Anteile beziehen sich hierbei auf das Kompositmaterial des Sinterkörpers, d.h. das Porenvolumen bzw. der Volumenanteil der Poren im Sinterkörper wird hierbei nicht berücksichtigt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Sinterkörper zumindest zwei unterschiedliche dielektrische Materialien enthält. Insbesondere weisen die verwendeten dielektrischen Materialien bei Raumtemperatur keine nennenswerte elektrische Leitfähigkeit auf.
Im erfindungsgemäßen Sinterkörper werden die elektrisch leitfähigen Materialien durch das dielektrische Material miteinander verbunden. Die elektrische Leitfähigkeit des ersten elektrisch leitfähigen Materials liegt vorzugsweise im Bereich bis < 30 S/pm, vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 20 S/pm, besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 10 S/pm und die elektrische Leitfähigkeit des zweiten elektrisch leitfähigen Materials vorzugsweise im Bereich von > 10 S/pm, bevorzugt > 20 S/pm, meist bevorzugt > 30 S/pm, insbesondere im Bereich bis 70 S/pm. Der Anteil des ersten elektrisch leitfähigen Materials am Sinterkörper ist hierbei größer als der Anteil des zweiten elektrisch leitfähigen Materials. In Verbindung mit den oben beschriebenen, unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten des ersten und des zweiten elektrisch leitfähigen Materials ermöglicht dies einen Sinterkörper mit einer einstellbaren elektrischen Leitfähigkeit im erfindungsgemäßen Bereich mit einer gleichzeitig hohen mechanischen Festigkeit. So wird durch das erste elektrisch leitfähige Material insbesondere eine hohe mechanische Festigkeit und Formtreue des Sinterkörpers ermöglicht. Durch die relativ geringe elektrische Leitfähigkeit des ersten elektrisch leitfähigen Materials von höchstens 30 S/pm wirkt sich der Gehalt an erstem elektrisch leitfähigem Material, anders als bei Materialien mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, nicht mehr exponentiell, sondern annähernd linear auf die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers aus. Dies ermöglicht eine gute Einsteilbarkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Sinterkörpers. Somit können Sinterkörper mit hohen Gehalten an erstem elektrisch leitfähigem Material realisiert werden, ohne die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers zu stark zu erhöhen. Neben einer guten mechanischen Festigkeit wird durch insbesondere bei Ausführungsformen mit relativ hohen Gehalten an erstem elektrisch leitfähigem Material auch eine elektrische Grundleitfähigkeit mit hoher Homogenität über den gesamten Sinterkörper erreicht. Als besonders vorteilhaft haben sich hierbei Gehalte an erstem elektrisch leitfähigem Material im Komposit von 30 bis 90 VoL-%, bevorzugt 40 bis 80 Vol .-% und besonders bevorzugt von 55 bis 75 VoL-% herausgestellt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt der Gehalt des ersten elektrisch leitfähigen Materials im Komposit 30 bis 80 VoL-%, bevorzugt 40 bis 70 VoL-% und besonders bevorzugt 50 bis 65 VoL-%. Eine Einteilung der elektrisch leitfähigen Materialien kann insbesondere anhand deren elektrischen Leitfähigkeit vorgenommen werden.
Insbesondere wird folgende Einteilung vorgenommen:
Klasse Beispiel elektrische Leitfähigkeit [ S/pim]
A Ag, Cu, Au, AI mehr als 30
B W, Mo, Zn, Fe, Pt, Ni 10 bis 30
C Ti, Cr, Stahl, C, Mn, Si weniger als 10
Die Materialien der Klassen C und B sind, insbesondere aufgrund deren zumindest teilweise kostengünstigen kommerziellen Verfügbarkeit, bevorzugt für die Ausbildung des Metallgerüstes einsetzbar und können zur Erzielung bzw. Einstellung einer elektrischen Grundleitfähigkeit des Sinterkörpers herangezogen werden.
Zur Erzielung, Einstellung bzw. Feineinstellung einer gewünschten oder geforderten elektrischen Leitfähigkeit des Sinterkörpers sind bevorzugt Materialien der Klasse A einsetzbar. io
Die Zusammenstellung der Materialien aus zumindest einer Klasse erfolgt bevorzugt gemäß der Regel, dass die elektrische Leitfähigkeit des ersten Materials kleiner als die elektrische Leitfähigkeit des zumindest einen zweiten Materials ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung werden die Klasse C und/oder B mit der Klasse A, bevorzugt die Klasse C mit der Klasse A zusammengestellt. Gemäß einer Ausführungsform enthält der Sinterkörper als erstes elektrisch leitfähiges Materials ein Material der Klasse C und/oder der Klasse B und als zweites elektrisch leitfähiges Material ein Material der Klasse A. Auch die Zusammenstellung der Klasse B mit der Klasse C ist denkbar. In dieser Ausführungsform enthält der Sinterkörper als erstes elektrisch leitfähiges Material ein Material der Klasse C und als zweites elektrisch leitfähiges Material ein Material der Klasse B.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Sinterkörper als erstes elektrisch leitfähiges Material Titan, Chrom, Stahl, Mangan, Nickel, Kupfer, Silizium oder entsprechende Legierungen, wie typische Heizleiterlegierung, insbesondere CuMnNi-Legierungen (z.B. Konstanten®) oder FeCrAI-Legierungen (z.B. Kanthai®) auf. Auch Mischungen oder Kombinationen aus den oben genannten Materialien sind möglich.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Edelstahl, insbesondere von rostfreiem und/oder zunderbeständigem, beziehungsweise hitzebeständigem Edelstahl, beispielsweise des Typs 1 .4828 oder 1 .4404, als erstes elektrisch leitfähiges Material herausgestellt. Hierbei weist Edelstahl neben einer für die Verwendung als erstes elektrisch leitfähiges Material vorteilhaften elektrischen Leitfähigkeit auch eine ohne chemische Beständigkeit auf. Weiterhin ist Edelstahl hochtemperaturbeständig und kann auch in medizinischen Bereichen verwendet werden. Ein weiterer Vorteil liegt in seinen relativ geringen Herstellungskosten.
Die gewünschte elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers wird ausgehend von seiner Grundleitfähigkeit durch die Art des zweiten elektrisch leitfähigen Materials sowie dessen Gehalt im Sinterkörper eingestellt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Komposit einen Gehalt an zweitem elektrisch leitfähigem Material im Bereich von 5 bis 50 VoL-%, bevorzugt 10 bis 30 VoL-% und besonders bevorzugt 15 bis 25 VoL-% auf.
Als zweites elektrisch leitfähiges Material hat sich insbesondere Aluminium, Kupfer sowie Edelmetalle, insbesondere Platin, Gold, Silber, sowie deren Mischungen und/oder deren Legierungen als vorteilhaft herausgestellt. Auch die Mischung von zumindest zwei der oben genannten Materialien ist möglich. Edelmetalle bieten neben einer hohen elektrischen Leitfähigkeit zusätzlich den Vorteil, dass sie auch bei hohen Temperaturen gegenüber den Bestandteilen des dielektrischen Materials inert oder zumindest weitgehend inert sind, also insbesondere Materialien sind, die nicht oder wenig zu Reaktionen mit dem dielektrischen Material und/oder zu Oxidbildung oder anderer chemischer Veränderung neigen. Inertheit ist damit auch ein wichtiges Kriterium für die Auswahl anderer elektrische leitfähiger Materialien und/oder deren Legierungen und/oder Mischungen, außer den Edelmetallen und/oder deren Legierungen und/oder Mischungen. Dies ist besonders vorteilhaft bei Ausführungsformen, bei denen als dielektrisches Material Gläser eingesetzt werden. Als besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Silber oder Gold oder Legierungen mit zumindest einem dieser Metalle als zweites elektrisch leitfähiges Material.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der Sinterkörper als erstes elektrisch leitfähiges Material Edelstahl (Klasse C) und als zweites elektrisch leitfähiges Material Silber (Klasse A) auf.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass es sich bei dem gesamten im Sinterkörper vorhandenen, elektrisch leitfähigen Material um erstes und zweites elektrisch leitfähiges Material handelt. Mit anderen Worten wird das elektrisch leitfähige Material, abgesehen von einer optionalen Beschichtung, nur durch das zumindest eine erste und zumindest eine zweite elektrisch leitfähige Material gebildet, ohne dass eine weitere leitfähige Phase in größerem Maße vorhanden ist. Insbesondere beträgt der Anteil einer oder mehrerer weiterer leitfähiger Phasen, beziehungsweise Metalle weniger als 3 VoL-%. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Material der elektrisch leitfähigen Partikel einen Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten auf. Dies erleichtert die Regelung der elektrischen Beheizung des Sinterkörpers und unterstützt eine schnelle Aufheizung ausgehend von Raumtemperatur.
Eine gute Regelbarkeit ist in alternativer oder zusätzlicher Ausführungsform auch gegeben, wenn der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands nahe null, insbesondere im Betrag kleiner als 0,00025 K-1 ist. Dies ist beispielsweise bei manchen Kupfer-Nickel- Legierungen, wie etwa Konstantan® der Fall. Konstanten weist einen Temperaturkoeffizienten von -0,000074 K’1 auf. Ebenso kann NiCröO mit einem Temperaturkoeffizienten von -+0,00011 K’1 verwendet werden.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, elektrisch leitfähige Materialien, insbesondere Metalle, zu verwenden, die einen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands von > -0,075 1/K, bevorzugt aber > - 0,0001 1/K, besonders bevorzugt > 0,0001 1/K aufweisen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das elektrisch leitfähige Material hierbei einen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes von < 0,008 1/K auf.
Der jeweils eingesetzte Gehalt an elektrisch leitfähigen Partikeln, insbesondere des zweiten elektrisch leitfähigen Materials, ist hierbei vom jeweiligen Material der elektrisch leitfähigen Partikel, insbesondere von deren elektrischer Leitfähigkeit sowie von der Form der verwendeten Partikel abhängig.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der maximale Abstand zwischen zwei benachbarten elektrisch leitfähigen Partikeln weniger als 30 pm oder sogar weniger als 10 pm beträgt. Durch diesen geringen Abstand der elektrisch leitfähigen Partikel kann der Stromfluss durch Elektronentunneleffekte erfolgen. Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die elektrisch leitfähigen Partikel zumindest teilweise voneinander beabstandet. Dabei werden die elektrisch leitfähigen Partikel durch das dielektrische Material und/oder Poren voneinander isoliert. Als besonders vorteilhaft hat sich ein mittlerer Abstand zwischen benachbarten elektrisch leitfähigen Partikeln von weniger als bis 30 pm, vorzugsweise im Bereich von weniger als 10 pm herausgestellt.
Das elektrisch leitfähige Material liegt in partikulärer Form vor, wobei die Partikel des ersten und des zweiten elektrisch leitfähigen Materials eine homogene Mischung bilden. Durch das dielektrische Material werden dabei die elektrisch leitfähigen Partikel zusammengehalten. Die zweiten elektrisch leitfähigen Partikel sind hierbei homogen im Sinterkörper verteilt. Die homogene Verteilung der zweiten elektrisch leitfähigen Partikel im Komposit stellt sicher, dass der Sinterkörper im gesamten Volumen eine homogene Leitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 105 S/m aufweist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers im Bereich von 10 bis 10000 S/m.
Die erfindungsgemäße elektrische Leitfähigkeit des Sinterköpers ermöglicht die Verwendung des entsprechenden Verdampfers in einer elektronischen Zigarette. So weist der Sinterkörper gemäß einer Weiterbildung der Erfindung einen elektrischen Widerstand im Bereich von 0,05 Ohm bis 5 Ohm, bevorzugt 0,1 bis 5 Ohm auf. In dieser Weiterbildung wird der Verdampfer mit einer Spannung im Bereich von 1 bis 12 V und/oder mit einer Heizleistung von zumindest 1 bis 500 Watt, insbesondere 1 bis 300 Watt, bevorzugt 1 bis 150 Watt betrieben. Hierbei erhitzt sich der Verdampfer durch das Anlegen eines Stroms in seinem gesamten Volumen, so dass die Desorption der im Verdampfer gespeicherten Flüssigkeit beginnt. Im Unterschied dazu können Vorrichtungen gemäß einer anderen Weiterbildung auch bei Spannungen von 110V, 220V/230 V oder sogar 380 V betrieben werden. Hier sind elektrische Widerstände bis 3000 Ohm und Leistungen bis 1000 W oder mehr vorteilhaft. Gemäß einer Ausführungsform dieser Weiterbildung handelt es sich bei der Vorrichtung um Inhalatoren für den medizinischen Bereich.
Abhängig von der jeweiligen Verwendung der Verdampfereiheit kann diese höhere Betriebsspannungen, insbesondere Betriebsspannungen im Bereich von >12V bis 110 V, Wiederständen von mehr als 5 Ohm und/oder Heizleistungen von mehr als 80 W aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform dieser Weiterbildung handelt es sich bei der Vorrichtung um Inhalatoren für den medizinischen Bereich. Die Verdampfervorrichtungen dieser Weiterbildung können auch können auch zur Verdampfung in größeren Räumlichkeiten, beispielsweise als Nebelmaschine ausgebildet sein.
Die gesamte zugängliche Oberfläche des aus Kompositmaterial bestehenden Sinterkörpers bildet hierbei die Verdampfungsfläche. Durch die erfindungsgemäße elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers erfolgt der Stromfluss über das gesamte Körpervolumen des Sinterkörpers. Entsprechend wird die zu verdampfende Flüssigkeit auf der gesamten Oberfläche des Sinterkörpers verdampft. Somit bildet sich der Dampf nicht nur lokal auf der Mantelfläche des Sinterkörpers, sondern auch an der inneren Oberfläche des Sinterkörpers.
Anders als bei Verdampfern, die eine lokale Heizeinrichtung, beispielsweise eine Heizspirale oder eine elektrisch leitende Beschichtung auf den Mantelflächen des Verdampferkörpers, ist ein Kapillartransport vom Inneren des Sinterkörpers zur einer lokalen Heizeinrichtung nicht notwendig, d.h. über relativ lange Wegstrecken, nicht notwendig, da bei dem erfindungsgemäßen Verdampfer dessen gesamtes Volumen erhitzt wird. Dies verhindert ein Trockenlaufen des Verdampfers bei zu geringer Kapillarwirkung und somit auch eine lokale Überhitzung. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Verdampfereinheit aus. Zudem kann es bei einer lokalen Überhitzung des Verdampfers zu Zersetzungsprozessen der zu verdampfenden Flüssigkeit kommen. Dies kann zum einen problematisch sein, da beispielsweise somit der Wirkstoffgehalt eines zu verdampfenden Medikamentes verringert wird. Zum anderen werden Zersetzungsprodukte vom Benutzer eingeatmet, was gesundheitliche Risiken bergen kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verdampfer ist dagegen diese Gefahr wesentlich geringer.
Der Anteil an dielektrischem Material im Sinterkörper führt zu einer guten mechanischen Stabilität und Festigkeit des Sinterkörpers. Die Verwendung eines Sinterkörpers in Form eines Komposits, d.h. eines Sinterkörpers, bei dem dielektrisches Material und elektrische leitfähige Partikel homogen oder zumindest weitgehend homogen verteilt sind, bietet, anders als nachträglich beschichtete Sinterkörper, den Vorteil, dass Eigenschaften des Sinterkörpers, wie beispielsweise dessen Porengröße oder der Anteil an offenen Poren im Sinterkörper nicht nachteilig beeinflusst werden.
Die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers kann nicht nur durch die elektrische Leitfähigkeit des jeweils verwendeten, elektrisch leitfähigen Materials sowie dessen Gehaltes im Sinterkörper, sondern auch über die Partikelgröße der elektrisch leitfähigen Partikel sowie durch die Partikelform bzw. Partikelgeometrie beeinflusst werden. So hat sich insbesondere die Verwendung von elektrisch leitfähigen Partikeln, insbesondere für das zweite elektrisch leitfähige Material, welche von der runden Kornform, also im Wesentlichen kugelförmigen Partikeln, abweichen, als vorteilhaft herausgestellt. Gemäß einer Ausführungsform weisen die elektrisch leitfähigen Partikel daher eine flache, plättchenförmige Form auf und werden auch als Plateletts bezeichnet. Alternativ oder zusätzlich weist das Komposit elektrisch leitfähige Partikel mit einer langkörnigen bzw. länglichen Geometrie auf. Insbesondere weisen diese Partikel eine nadelförmige Geometrie auf. Auch Mischungen aus einer oder mehreren dieser Kornformen haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Anders als beispielsweise kugelförmige Partikel können plättchenförmige oder längliche Partikel auch bei relativ geringen Füllgraden ein durchgängiges Gerüst aus elektrisch leitfähigem Material innerhalb des Sinterkörpers ausbilden, so dass der entsprechende Sinterkörper trotz eines relativ geringen Füllgrades des elektrisch leitfähigen Materials eine elektrische Leitfähigkeit im erfindungsgemäßen Bereich aufweist. Demnach kann eine geforderte elektrische Leitfähigkeit eines Sinterkörpers bei länglichen elektrisch leitfähigen Partikeln mit einem geringeren Volumenanteil als mit kugelförmigen Partikeln erreicht werden. Weitere Möglichkeiten zur Reduzierungen dieses Volumenteils, auch gegenüber länglichen Partikeln, oft ebenfalls einhergehend mit weiter reduzierten Kosten, können durch plättchenförmige Partikel erreicht werden.
Darüber hinaus ist die Verwendung von flachen, plättchenförmigen oder länglichen elektrisch leitfähigen Partikeln insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn der Füllgrad des elektrisch leitfähigen Materials im Sinterkörper relativ gering ist. Durch elektrisch leitende Partikeln mit den oben beschriebenen Geometrien kann hierbei auch bei geringen Füllgraden ein Netzwerk aus elektrisch leitfähigem Material im Sinterkörper ausgebildet werden, so dass eine elektrische Leitung gewährleistet werden kann und bei Anlegen einer Spannung bzw. einem Stromfluss durch den Sinterkörper in geeigneter Größe beispielsweise eine Verwendung als Heizelement bzw. in einem Verdampfer ermöglicht wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Sinterkörper elektrisch leitfähige Partikel mit einer plättchenförmigen oder länglichen Geometrie auf. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die elektrisch leitfähigen Partikel eine maximalen Dicke dmax und eine maximalen Länge lmax aufweisen, wobei gilt dmax < Imax. Als besonders vorteilhaft haben sich elektrisch leitfähige Partikel herausgestellt, für die gilt 2 dmax *• Imax, bevorzugt 3 dmax — Imax , besonders bevorzugt 7 dmax < Imax.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weisen die elektrisch leitfähigen Partikel im Sinterkörper eine mittlere Partikelgröße (dso) im Bereich von 0,1 pm bis 1000 pm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 200 pm, meist bevorzugt von 1 bis 50 pm auf. Gemäß einer Ausführungsform des Sinterkörpers ist vorgesehen, dass sich die Partikelgrößen, insbesondere der dso-Wert von ersten und zweiten leitfähigen Partikeln unterscheiden. Vorzugsweise beträgt dabei das Verhältnis von größerem zu kleinerem dso-Wert mindestens 2:1 , vorzugsweise mindestens 5:1. In speziellen Ausführungsformen kann dieses Verhältnis auch größer gewählt werden, beispielsweise mindestens 7:1 oder sogar mindestens 10:1. Unter anderem, um eine gute Mischbarkeit der Partikel vor dem Sintern zu gewährleisten, ist es weiterhin von Vorteil, wenn das Verhältnis der dso-Werte nicht zu groß wird. Gemäß noch einer Weiterbildung liegt daher das Verhältnis bei höchstens 500:1. Generell können sowohl die ersten leitfähigen Partikel, als auch die zweiten leitfähigen Partikel die größeren Partikelgrößen, beziehungsweise dso-Werte aufweisen.
Bei Verwendung von elektrisch leitfähigen Partikeln mit einer geringeren Partikelgröße, insbesondere des zweiten elektrisch leitfähigen Materials, ist es günstig, wenn der Füllgrad der elektrisch leitfähigen Partikel in den entsprechenden Sinterkörpern erhöht wird, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zu erreichen. So erniedrigt sich die elektrische Leitfähigkeit durch die Verwendung von sehr kleinen elektrisch leitfähigen Partikeln. Zu große elektrisch leitfähige Partikel, insbesondere des ersten elektrisch leitfähigen Materials, wiederum können den elektrischen Widerstand im Sinterkörper in lokalen Bereichen stark senken, so dass der Sinterkörper bezüglich des elektrischen Widerstandes inhomogen ist. Dies kann wiederum zu lokalen Überhitzungen im Sinterkörper und zu einer inhomogenen Verdampfung führen. Dieser Effekt ist hierbei umso stärker ausgeprägt, je größer die elektrische Leitfähigkeit der entsprechenden elektrisch leitfähigen Partikel ist. Zudem können sehr große elektrisch leitfähige Partikel und die damit verbundene inhomogene Struktur des Sinterkörpers sich nachteilig auf dessen mechanische Festigkeit auswirken.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Poren eine mittlere Porengröße im Bereich von 1 m bis 1000 m auf. Bevorzugt liegt die mittlere Porengröße der offenen Poren des Sinterkörpers im Bereich von 50 bis 800 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 100 bis 600 pm. Poren mit entsprechenden Größen dabei vorteilhaft, da sie klein genug sind, um ausreichend große Kapillarkraft zu erzeugen und so den Nachschub an zu verdampfender Flüssigkeit insbesondere bei Verwendung als Flüssigkeitsspeicher in einem Verdampfer zu gewährleisten, gleichzeitig sind sie groß genug, um eine zügige Abgabe des Dampfes zu ermöglichen. Denkbar ist es dabei auch dazu mehr als eine Porengröße bzw. mehr als einen Porengrößenbereich, beispielsweise eine bimodale Porengrößenverteilung mit großen Poren und kleinen Poren, in einem Sinterkörper vorteilhaft vorzusehen. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass der Anteil elektrisch leitfähiger Partikel bei vorgegebener bzw. geforderter elektrischer Leitfähigkeit eines Sinterkörpers bei geringer Porosität niedriger ausfallen kann als bei Sinterkörpern höherer Porosität. Der jeweiligen Verwendung bzw. deren Anforderungen daraus, wie oben beschrieben, zum Beispiel der Transport einer zu verdampfenden Flüssigkeit versus der Verdampfungsleistung, kann somit durch geeignete Anpassungen der Materialzusammensetzung und Porosität Rechnung getragen werden. Vorzugsweise ist das dielektrische Material im Sinterkörper gegenüber Temperaturen von zumindest 300 °C oder sogar von zumindest 400°C thermisch stabil. Gleichzeitig weist das dielektrische Material eine Erweichungstemperatur Tg auf, die unterhalb der Schmelztemperatur des ersten elektrisch leitenden Materials, vorzugsweise unterhalb der Schmelztemperatur des ersten und des zweiten elektrisch leitenden Materials im Sinterkörper liegt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das dielektrische Material des Sinterkörpers ein Glas. Eine Ausführungsform sieht hierbei vor, dass der Gehalt an Glas im Sinterkörper zumindest 5 VoL-% beträgt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann aber auch ein nur geringer Glasanteil kleiner als 5 VoL-% vorgesehen sein, etwa, um andere, beispielsweise keramische Partikel zu binden. Die Verwendung von Glas als dielektrisches Material ist in Hinblick auf die Prozessierbarkeit bei der Herstellung des Sinterkörpers sowie auf die Temperaturstabilität und die mechanische Festigkeit vorteilhaft. Als besonders vorteilhaft haben sich hierbei Gläser ohne oder mit einem relativ geringen Alkaligehalt gezeigt. Unter alkalifreien Gläsern bzw. unter Gläsern ohne Alkaligehalt werden dabei Gläser verstanden, deren Zusammensetzung Alkalien nicht gezielt zugegeben werden. Geringe Alkalianteile, welche beispielsweise in Form von Verunreinigungen in das Glas eingebracht werden, sind dagegen nicht ausgeschlossen. Ein niedriger Alkaligehalt, insbesondere ein niedriger Gehalt an Natrium ist hierbei unter mehreren Gesichtspunkten vorteilhaft. So zeigen Gläser mit einem relativ geringen Alkaligehalt auch bei hohen Temperaturen eine geringe Alkali-Diffusion, so dass sich die Glaseigenschaften auch im Heizbetrieb des Verdampfers nicht oder fast nicht verändern. Die geringe Alkali-Diffusion der Gläser ist weiterhin auch im Betrieb des Sinterkörpers als Verdampfer vorteilhaft, da somit keine solchen ggfs. austretenden Bestandteile mit dem elektrisch leitfähigen Material und /oder einer optional vorhandenen Beschichtung des Sinterkörpers und/oder mit der zu verdampfenden Flüssigkeit wechselwirken. Letzteres ist insbesondere bei der Verwendung des, optional beschichteten, Sinterkörpers als Verdampfer in medizinischen Inhalatoren relevant. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Alkalianteil des Glases von höchstens 15 Gew.-% oder sogar höchstens 6 Gew.-% herausgestellt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung enthält der Verdampfer als dielektrisches Material ein Glas. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Borosilikatglas, insbesondere mit den folgenden Bestandteile herausgestellt:
SiO2 50 bis 85 Gew.-%
B2O3 1 bis 30 Gew.-%
AI2O3 1 bis 30 Gew.-% Li2O + Na2O + K20 0 bis 30 Gew.-% MgO + CaO + BaO + SrO 1 bis 40 Gew.-%.
Es können jedoch auch andere Gläser als dielektrisches Material verwendet werden. So haben sich neben Borosilikatgläsern beispielsweise auch Bismuthgläser oder Zinkgläser als geeignet herausgestellt. Unter letztgenannten Gläser oder ähnlichen Gläsern mit anderen Oxide wird verstanden, dass diese als wesentlichen Bestandteil entsprechende oxidische Komponenten, also z.B. Bi2O3 oder ZnO, umfassen, beispielsweise zu mindestens 50 Gew.-% oder sogar bis zu 80 Gew.-%.
Durch die Auswahl des jeweiligen dielektrischen Materials, insbesondere eines Glases, kann auch das thermische Ausdehnungsverhalten der dielektrischen Komponente beeinflusst werden. Dabei ist eine geringe thermische Ausdehnung dieser in der Anwendung als Verdampfer vorteilhaft hinsichtlich einer Temperaturwechselbeständigkeit bzw. bei Temperaturwechselbelastung des Sinterkörpers. Diese kann beispielsweise bei der Anwendung des Komposits in einer elektrischen Zigarette durch wiederholte, oft recht kurze, Heizzyklen auftreten.
Ähnlich, wie für die elektrisch leitfähigen Materialien, ist auch die I nertheit bzw. chemische Beständigkeit des Glases relevant, beispielsweise was mögliche Reaktionen, bzw. deren Vermeidung, von Glas mit elektrisch leitfähigem Material angeht, dies insbesondere auch während des Herstellungsprozesses eines Sinterkörpers durch thermische Behandlung, beispielsweise während des Sintervorgangs. Weiterhin ist eine I nertheit des dielektrischen Materials gegenüber den beim Herstellungsprozess verwendeten Hilfsstoffen, beispielsweise gegenüber Sinterhilfsmitteln oder Porenbildnern, vorteilhaft. Bei der Verwendung des Sinterkörpers beispielsweise als Verdampfer oder einer Komponente in einem Verdampfer ist eine hohe chemische Beständigkeit oder geringe Reaktivität des Glases gegenüber den zu verdampfenden Substanzen, beispielsweise Propylenglykol, Glycerin, Wasser und/oder Mischungen daraus, und/oder Zusatzstoffen darin wesentlich. Bevorzugt werden Gläser mit einer hohen chemischen Beständigkeit, insbesondere Gläser mit einer Wasserbeständigkeit der Klasse 3, besonders bevorzugt Gläser mit einer Wasserbeständigkeit der Klasse 1 oder 2 (gemessen nach ISO 719), eingesetzt. Des Weiteren haben sich Gläser mit einem geringen Anteil an Netzwerkwandlern und/oder mit einem hohen Anteil an Netzwerkbildnern als vorteilhaft hinsichtlich ihrer chemischen Beständigkeit herausgestellt. Gemäß einer Ausführungsform weist das Glas einen Anteil an Netzwerkbildnern von zumindest 50 Gew,.%, vorzugsweise einen Anteil an Netzwerkbildnern von zumindest 70 Gew.-% auf. Als Netzwerkbildner werden insbesondere Glaskomponenten verstanden, welche zur Ausbildung von Sauerstoffbrücken im Glas beitragen, beispielsweise SiÜ2, B2O3 und AI2O3.
Alternativ können als dielektrische Materialien auch kristallisierbare Gläser oder teilweise kristallisierte Gläser, insbesondere Glaskeramiken verwendend werden, sofern eine Verarbeitung unterhalb Schmelztemperatur des verwendeten ersten elektrisch leitfähigen Materials möglich ist. Daher werden bei der Verwendung von Keramiken als ein dielektrisches Material mit meist hohen Schmelztemperaturen, insbesondere wenn diese über denen der eingesetzten Metalle liegt, sinterfördernde Stoffe, bspw. ein Glas, bevorzugt ein zuvor beschriebenes Glas, zugefügt, so dass unter Ausbildung einer flüssigen Phase eben dieses Glases ein Sinterkörper mittels Flüssigphasensinterns gesintert wird bzw. sinterbar ist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Sinterkörper eine Mischung von zumindest zwei unterschiedlichen, dielektrischen Materialien auf.
Es hat sich hierbei als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn zumindest eine der dielektrischen Komponenten ein Glas ist. Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Anteil an Glas zumindest 5 Vol% des dielektrischen Materials. Abhängig von den jeweils eingesetzten Materialien kann diese Ausführungsform insbesondere bei Sinterkörpern mit einem Gesamtgehalt an dielektrischen Material von weniger als 25 VoL-% oder sogar weniger als 10 VoL-% vorteilhaft sein.
Alternative dielektrische Kompoenenten können Glaskeramiken, Keramiken oder Kunststoffe darstellen, sofern eine Verarbeitung unterhalb der Schmelztemperatur des verwendeten elektrisch leitenden Materials möglich ist.
Als eine Glaskeramik im Sinne der vorliegenden Offenbarung wird hierbei das Umwandlungsprodukt eines Grünglases, d.h. eines kristallisierbaren Glases, durch Erhitzen auf entsprechende Temperaturen, bei denen eine Keramisierung stattfindet, verstanden. Die Glaskeramik weist hierbei sowohl eine glasige Phase als auch Kristallite auf.
Bei Ausführungsformen, bei denen das dielektrische Material Keramiken enthält, muss die meist hohe Sintertemperatur der Keramiken berücksichtigt werden. Daher werden bei der Verwendung von Keramiken als ein dielektrisches Material, insbesondere, wenn die Sintertemperatur der Keramik oberhalb der Schmelztemperatur der eingesetzten Metalle liegt, sinterfördernde Stoffe, zugefügt, so dass unter Ausbildung einer flüssigen Phase eben dieses sinterfördernden Stoffes ein Sinterkörper mittels Flüssigphasensinterns gesintert wird bzw. sinterbar ist. Als sinterfördernde Stoffe haben sich insbesondere Gläser und im besonderen Maße die oben beschriebenen Gläser als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Sinterkörper eine Mischung von zumindest zwei unterschiedlichen, dielektrischen Materialien auf. Der dielektrische Anteil des Sinterkörpers stellt hierbei ein Komposit umfassend die jeweils eingesetzten dielektrischen Materialien dar. Insbesondere kann es sich um ein Komposit aus Glas und Keramik handeln. Im Unterschied zur Glaskeramik ist das Komposit ein Verbundwerkstoff.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt der keramische Anteil zumindest 50 Vol %, bevorzugt mindestens 75 Vol%, meist bevorzugt mindestens 90 Vol%. bezogen auf den vorgesehenen Volumenanteil des dielektrischen Materials. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht sogar vor, dass der Anteil an der Keramik am gesamten dielektrischen Material des Sinterkörpers zumindest 80 VoL-%, bevorzugt zumindest 90 VoL-% und ganz besonders bevorzugt zumindest 95 VoL-% beträgt. Auch Sinterkörper, deren dielektrisches Material vollständig oder zumindest nahezu vollständig keramisch ist, sind möglich, ohne die Erfindung zu verlassen.
Bei Sinterkörpern, die insgesamt einen eher geringen Anteil an dielektrischem Material aufweisen, kann es jedoch in Hinblick auf die Prozessierbarkeit beim Sinterprozess und die mechanische Stabilität des Sinterkörpers vorteilhaft sein, wenn der zumindest 50 Vol-% des gesamten dielektrischen Materials, insbesondere zumindest 25 VoL-% des dielektrischen Materials ein Glas ist. Dies ist insbesondere bei Sinterkörpern mit einem Gesamtanteil an dielektrischen Material von weniger als 25 VoL-%, insbesondere von weniger als 15 VoL-% am Sinterkörper vorteilhaft.
Neben der Förderung der Sinterbarkeit trägt der dann im Wesentlichen aufgeschmolzene Glasanteil auch zur Beschichtbarkeit eines solchen Sinterkörpers mit keramischen Anteil des dielektrischen Materials positiv bei. Hierbei ist es möglich, Korngrößen von Keramik und Glas so aufeinander abgestimmt abzustimmen, dass eine Segregation oder Entmischung der Pulver oder Agglomeration eines Pulvers, aufgrund stark unterschiedlicher Korngrößen während der Herstellung vermieden wird. Hierbei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Korngröße des Glases nicht größer als die des keramischen Anteiles gewählt wird. Auch sind bi- oder mehrmodale Verteilungen bezüglich der Korngrößenverteilungen von Glas- und Keramikanteil sind möglich und erlauben fallweise die Korngrößen aller Materialien aneinander anzupassen. Auch beim Einsatz von Glaskeramiken zur Herstellung eines Sinterkörpers umfassend eine Glaskeramik, kann die Zugabe eines Volumenanteiles an Glas bzw. der Ersatz eines Volumenanteils der Glaskeramik durch ein Glas in Hinblick auf die Sinterbarkeit des Werkstücks vorteilhaft sein.
Eine weitere Variante sieht vor, dass einer Mischung aus elektrisch leitfähigen und dielektrischen Materialien weitere Materialien zugegeben werden können, um beispielsweise die Verarbeitung bzw. Herstellung eines Sinterkörpers beeinflussen. Hierbei kann es sich beispielsweise um sogenannte Sinterhilfsmittel zur Modifikation der Sinterbedingungen, z.B. Einstellung, insb. Absenkung der Verarbeitungstemperatur und/oder Materialien, die eine Modifikation von Eigenschaften des Sinterkörpers erlauben bzw. diese einstellbar werden. So kann insbesondere beim Einsatz hochschmelzender Keramiken als ein dielektrisches Material, durch Zugabe eines sinterfördernden Mittels, bspw. eines Glases, vorteilhaft eines zuvor beschriebenen Glases, eine Sinterung unter Ausbildung einer flüssigen Phase bei Temperaturen erfolgen, bei welcher das elektrisch leitfähige Material nicht schmilzt. Weiterhin kann so durch Zugabe von Hilfsstoffen die Wärmeleitfähigkeit im Blick auf thermische Isolation versus Heizleistung, Heizgeschwindigkeit oder Aufheizung umgebender Komponenten, beispielsweise bei einer E-Zigarette, oder auch die Oberflächeneigenschaften des Sinterkörpers, hinsichtlich Absorption, Desorption und/oder Nachfluss zu verdampfender Medien, eingestellt werden.
Zudem sollten die entsprechenden dielektrischen Materialien grundsätzlich eine ausreichende chemische Beständigkeit sowie eine Beständigkeit gegenüber Wasser und den Bestandteilen von zu verdampfenden Flüssigkeiten, beispielsweise Propylenglykol und Glycerin, aber auch den Metallen aufweisen. Als Kunststoffe eignen sich beispielsweise temperaturstabile Polymere wie Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK) oder Polyamide (PA).
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Verdampfer eine mechanische elektrische Kontaktierung, eine elektrische Kontaktierung durch einen elektrisch leitenden Verbinder oder eine stoffschlüssige elektrisch leitende Verbindung auf. Vorzugsweise erfolgt die elektrische Kontaktierung durch eine Lötverbindung.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass der Sinterkörper zusätzlich eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweist. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei eine elektrisch leitfähige Beschichtung herausgestellt, die sich über die gesamte Oberfläche des Sinterkörpers erstreckt. So sind auch die Oberflächen des Sinterkörpers, welche durch die Porenoberflächen im Inneren des Sinterkörpers gebildet werden, mit der elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen. Dies ist besonders vorteilhaft, da somit auch der beschichtete Sinterkörper eine homogene elektrische Leitfähigkeit aufweist. Als Beschichtungsmaterialien haben sich beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (ITO), Aluminium-dotiertes Zinkoxid (AZO) oder Titannitrid (TiN) oder deren Kombinationen herausgestellt. Die Beschichtung kann auch eines der Materialien in Kombination mit anderen Schichtbestandteilen aufweisen.
Durch die zusätzliche Beschichtung, die je nach Beschichtungsverfahren auch nur teil - oder abschnittsweise auf einem Sinterköprer aufgebracht werden kann, kann die elektrische Leitfähigkeit des Verdampfers modifiziert werden, ohne die Zusammensetzung des Sinterkörpers zu verändern. So kann gemäß einer Ausführungsform die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers durch die Beschichtung angepasst bzw. eingestellt, insbesondere erhöht und/oder homogensiert werden. Dies kann beispielsweise zur Erzeugung von Verdampfern mit besonders hohen elektrischen Leitfähigkeiten genutzt werden, indem Sinterkörper mit einem relativ hohen Gehalt an elektrisch leitfähigem Material beschichtet werden. Dies ermöglicht auch die Einstellung einer geforderten elektrischen Leitfähigkeit basierend auf vorgegebenen Grundleitfähigkeiten von Sinterkörpern als Komposite aus dielektrischem Material und elektrisch leitfähigen Material durch Aufbringen geeigneter Schichtdicken der Beschichtung. Eventuelle Schwankung einer Leitfähigkeit des Sinterkörpers oder dessen Grundleitfähigkeit können so ebenfalls einfach ausgeglichen werden. Zudem kann, insbesondere durch lokale und/oder laterale Strukturierung der elektrisch leitfähigen Beschichtung, ein Komposit mit einer lokal angepassten Leitfähigkeit, beispielsweise durch eine lokale Begrenzung der Leitfähigkeit, realisiert werden. Durch eine laterale Strukturierung der Beschichtung auf dem Sinterkörper können somit Zonen mit unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten erhalten werden. So kann der Sinterkörper beispielsweise in lokale Heizzonen und/oder Speicherzonen eingeteilt werden. Auch die gezielte Einstellung von Transportzonen und Transportwegen kann hierdurch erfolgen.
Weiterhin können mittels einer Beschichtung auch die Oberflächeneigenschaften, beispielsweise die Oberflächenaktivität oder -energie, des Sinterkörpers bzw. Verdampfer beeinflusst werden, um z.B. die Aufnahme, Transport und Abgabe bzw. Verdampfung einer Flüssigkeit zu verändern oder einzustellen. Auch kann die I nertheit des Sinterkörpers weiter verbessert werden, indem dieser durch eine Beschichtung sozusagen passiviert wird, also beispielsweise um insbesondere im Betrieb vor Korrosion, Degradation oder Alterung durch Reaktion mit Luft oder mit zu verdampfender Flüssigkeit zu schützen. Thermomechanische Eigenschaften des Sinterkörpers können ebenso angepasst, verbessert oder eingestellt werden, wie beispielsweise die mechanische Festigkeit und/oder die Wärmeleitfähigkeit. Dabei kann eine Beschichtung einen aber auch mehrere dieser Eigenschaften adressieren.
Dadurch, dass der Sinterkörper durch den Gehalt an erstem und zweitem elektrisch leitfähigem Material bereits eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, sind nur relativ geringe Schichtdicken notwendig gegenüber einer Beschichtung von Sinterkörpern, die kein elektrisch leitfähiges Material enthalten. In Vergleich mit einem Sinterkörper, welcher aus einem rein dielektrischen Material aufgebaut ist, kann beim erfindungsgemäßen Sinterkörper entsprechend seiner elektrischen Grundleitfähigkeit die Menge des notwendigen Beschichtungsmaterials reduziert werden, beispielsweise, um bis zu 90%, um vergleichbare elektrische Leitfähigkeiten zu erzielen Vorzugsweise ist die mittlere Schichtdicke der elektrisch leitfähigen Beschichtung kleiner als 10 pm oder sogar kleiner 1 pm, bis hin zu einigen Nanometern bzw. wenigen 10 nm. Die notwendige oder mögliche Schichtdicke wird dabei wesentlich von deren Art und Herstellungsmethode der Beschichtung. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Beschichtung mit ITO oder TiN. Beschichtungen aus ITO weisen hierbei eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von einigen 104 S/m bis einigen 106 S/m und Beschichtung aus TiN von einigen S/m bis einigen 10-3 S/m auf. Durch die geringen Schichtdicken der Beschichtung wird zum einen nur wenig Beschichtungsmaterial benötigt. Gleichzeitig wird die Gefahr, dass kleinere Poren durch die Beschichtung verschlossen werden und somit nicht mehr als Verdampfungsvolumen zur Verfügung zu stehen, deutlich verringert. Die notwendige oder ausreichende Schichtdicke hängt dabei von der elektrischen Leitfähigkeit des Schichtmaterials ab. Ebenso hängt die zu erreichende bzw. erreichbare Schichtdicke von den Methoden der Beschichtung, z.B. mittels Flüssig- oder Gasphasenabscheidung, oder galvanisch, ab. So werden mit solchen Verfahren Schichten, bevorzugt dicht und homogen auf einen Sinterkörper aufgebracht, um dessen geforderte elektrische Leitfähigkeit und dessen im Betrieb gefordertes Heizverhalten, beispielsweise gleichmäßig oder auch lokal begrenzt im Volumen, des Sinterkörpers, einzustellen.
Die erfindungsgemäßen Verdampfer eignen sich insbesondere zur Verwendung als Bauteil in einer elektronischen Zigarette, einem medizinischen Inhalator, einem Duftspender oder einem Raumbefeuchter. Hierbei kann beispielsweise der Verdampfer auch zur indirekten Verdampfung von Flüssigkeiten oder Feststoffen, beispielsweise Wachse oder Harze, eingesetzt werden. So sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Sinterkörper von Luft bzw. Gas durchströmt wird und dieses erhitzt. Eine mögliche Verwendung dieser Weiterbildung liegt in medizinischen Inhalatoren. Auch eine Verwendung als Heizstrahler ist möglich.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Verdampfers. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst hierbei zumindest die folgenden Verfahrensschritte a) bis e): a) Bereitstellung eines ersten elektrisch leitenden Materials, eines zweiten elektrisch leitenden Materials und eines dielektrischen Materials in Pulverform, b) Mischen der in Schritt a) bereitgestellten Pulver mit einem Porenbildner, c) Erzeugung eines Grünkörpers aus der in Schritt b) bereit gestellten Pulvermischung durch Pressen, Gießen oder Extrudieren, d) Erwärmen des in Schritt e) bereit gestellten Grünkörpers auf eine Temperatur TAusbrand und e) Sintern des in Schritt c) erzeugten Grünkörpers bei einer Sintertemperatur Tsinter.
Wobei insbesondere im Falle von Kunststoffen als dielektrisches Material die Schritte c) bis e) auch parallel bzw. gleichzeitig oder sequentiell in einem Aggregat, bspw. einem Extruder oder im Spritzguss, stattfinden können, gegebenenfalls auch den Schritt b) umfassend. Solche Verfahren sind grundsätzlich auch auf die anderen dielektrischen Materialien anwendbar, aber häufig aufwendig und weniger gut kontrollierbar. Der Begriff des Sinterns wird hierbei auch als zur Verfestigung eines solchen Körpers führender Prozessschritt verstanden.
Der Anteil des gesamten elektrisch leitfähigen Materials an den gesamten in Schritt a) bereitgestellten Materialien beträgt hierbei maximal 95 VoL-%. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Anteil an elektrisch leitfähigem Material im Bereich von 30 bis 90 Vol.- %, vorzugsweise im Bereich von 40 bis 80 VoL-%. Als dielektrisches Material werden in Schritt a) Gläser, kristallisierbare Gläser oder Glaskeramiken oder Keramiken oder Kunststoffe oder Mischungen daraus in Pulverform bereitgestellt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Anteil an dielektrischem Material an dem in Schritt a) bereitgestellten Materialien 5 bis 70 VoL-%, bevorzugt 10 bis 50 VoL-%. Hierbei weist das dielektrische Material vorzugsweise einen geringeren Erweichungs- bzw. Schmelzpunkt auf als das elektrisch leitfähige Material. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Sinterkörper als dielektrisches Material Glas, kristallisierbares oder zumindest teilweise kristallisiertes Glas, dessen Trüge Fügetemperatur unterhalb der Schmelzternpertaur Tsmp des ersten elektrisch leitenden Materials, vorzugsweise unterhalb der Schmelztemperatur aller elektrisch leitfähigen Materialien im Sinterkörper liegt. Unter der Fügetemperatur Trüge wird dabei der Temperaturbereich verstanden, bei dem die Viskosität des Glases im Bereich zwischen 104 bis 108 dPas liegt. Vorzugsweise liegt die Fügetemperatur Trüge zumindest 10°C, bevorzugt zumindest 50°C unter der Schmelztemperatur des ersten elektrisch leitenden Materials und/oder des zweiten elektrisch leitenden Materials.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Anteil an dielektrischem Material im Bereich von 5 bis 70 VoL-%, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 60 VoL-% und besonders bevorzugt im Bereich von 15 bis 40 VoL-%. Als dielektrisches Material werden in Schritt a) Glas, Glaskeramik, Keramiken oder Mischungen daraus oder Kunststoffen in Pulverform bereitgestellt. In Schritt b) wird das in Schritt a) bereitgestellte Pulver mit zumindest einem Porenbildner versetzt und eine homogene Mischung erzeugt. Der Anteil an Porenbildner in der in Schritt b) bereit gestellten Mischung beträgt bevorzugt 40 bis 80 VoL-%, bevorzugt 50 bis 75 VoL-%. Aus der in Schritt b) bereit gestellten Mischung wird in einem nachfolgenden Schritt c) ein Grünkörper hergestellt. Dies kann beispielsweise durch Press- oder Extrudierprozesse oder durch einen Gießprozess erfolgen. In einer Ausführungsform der Erfindung wird aus der in Schritt b) bereit gestellten Mischung ein Schlicker hergestellt und nachfolgend gegossen.
Der Porenbildner weist hierbei eine Zersetzungstemperatur Tzersetzung und/oder eine Verdampfungstemperatur Tverdamptung auf, die unterhalb der in Sintertemperatur Tsinter in Schritt d) und/oder unterhalb der Fügetemperatur Trüge des dielektrischen Materials liegt. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Porenbildner in Schritt d) vor dem Sinterprozess in Schritt e) ausgebrannt wird. Dies ist vorteilhaft, da somit während des Sinterprozesses keine gasförmigen Substanzen austreten und somit eine Aufblähung des Sinterkörpers vermieden wird. Gemäß einer Ausführungsform weist der Porenbildner eine Zersetzungstemperatur Tzersetzung und/oder eine Verdampfungstemperatur Tverdamptung auf, die zumindest 10°C, bevorzugt zumindest 50°C und besonders bevorzugt zumindest 100°C unterhalb der Sintertemperatur Tsinter liegt und/oder zumindest 10°C, bevorzugt zumindest 50°C niedriger als die Fügetemperatur Trüge des dielektrischen Materials ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird als Porenbildner ein organisches Material, beispielsweise auf Basis von Polysacchariden verwendet. Auch die Verwendung von anorganischen Salzen ist möglich, sofern deren Zersetzungstemperatur und/oder Verdampfungstemperatur unterhalb der Fügetemperatur des dielektrischen Glases liegt. In Schritt e) wird der Grünkörper gesintert. Hierbei entspricht die Sintertemperatur zumindest der Erweichungstemperatur des dielektrischen Materials, so dass durch den Sinterprozess das dielektrische Material eine zusammenhängende Matrix bildet. Gleichzeitig ist die Sintertemperatur jedoch geringer als die Schmelztemperatur des elektrisch leitfähigen Materials, so dass die Partikelstruktur des elektrisch leitfähigen Materials zumindest weitgehend erhalten bleibt.
Es hat sich herausgestellt, dass eine Mischung oder Kombination von dielektrischem und erstem elektrisch leitfähigen Materialien, bei denen das dielektrische Material bei einer Temperatur erweicht oder verarbeitet werden kann, die zumindest um 10°C oder sogar um zumindest 100°C unterhalb des Schmelzpunktes des ersten elektrisch leitfähigen Materials liegt, besonders vorteilhaft ist. Hierdurch kann in Schritt e) die Sinterung bei einer Temperatur erfolgen, welche einen Sinterkörper mit hoher mechanischer Festigkeit ermöglicht. Da der Schmelzpunkt Tschmeiz des ersten elektrisch leitenden Materials sowohl oberhalb Ausbrandtemperatur TAusbrand in Schritt d) als auch oberhalb der Fügtemperatur Trüge des dielektrischen Materials liegt, weist der Grünkörper bzw. das Werkstück auch nach Entfernung des Porenbildners während des gesamten Herstellungsprozesses eine hohe Formstabilität auf. Insbesondere liegt der Schmelzpunkt Tschmeiz des ersten elektrisch leitenden Materials oberhalb der Sintertemperatur Tsinter in Schritt e). Das erste elektrisch leitende Material hat somit neben der Bereitstellung einer elektrischen Grundleitfähigkeit des Sinterkörpers die Funktion eines Formstabilisators während des Herstellungsprozesses und ermöglicht so die Herstellung von formstabilen, porösen Sinterkörpern. Anders als bei Herstellungsverfahren unter Verwendung von temperaturstabilen, löslichen Porenbildnern, kann beim erfindungsgemäßen Verfahren durch den Ausbrand in Schritt c) auf einen Waschprozess nach dem Sintervorgang zur Entfernung des Porenbildners verzichtet werden.
Durch den vergleichsweise hohen Schmelzpunkt des ersten elektrisch leitfähigen Materials wird zudem gewährleistet, dass die Formstabilität der elektrisch leitfähigen Partikel im Sinterkörper und somit auch die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers durch den Sinterprozess nicht beeinträchtigt wird. Vorzugsweise liegt daher auch der Schmelzpunkt des zweiten elektrisch leitfähigen Materials oberhalb der Sintertemperatur Tsinter in Schritt e) Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt in Schritt e) das Sintern des Grünkörpers bei einer Sintertemperatur im Bereich von 350 bis 1000°C.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sinterkörper weisen eine hohe mechanische Stabilität auf, so dass eine Nachbearbeitung des Sinterkörpers, beispielsweise zur Oberflächenbearbeitung oder Formgebung, möglich ist. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird der Sinterkörper in einem dem Schritt e) nachgelagerten Schritt f) geschliffen, gebohrt, poliert, gefräst und/oder gedreht.
Eine elektrische Kontaktierung des Sinterköpers kann zudem in einem den Schritten e) und/oder f) nachgelagerten Schritt g) der Sinterkörper erfolgen. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei eine Kontaktierung durch den Auftrag einer elektrisch leitfähigen Paste herausgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform weist das in Schritt a) bereitgestellte dielektrische Material eine thermische Stabilität gegenüber Temperaturen von zumindest 300 °C oder sogar zumindest 400 °C auf. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in Schritt a) als dielektrisches Material ein Glas bereitgestellt wird. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das in Schritt a) bereitgestellte Glas eine Transformationstemperatur Tg im Bereich von mehr als 300°C, insbesondere im Bereich von 500 bis 800 °C aufweist. Hierdurch kann in Schritt d) bei Sintertemperaturen gesintert werden, welche die Formstabilität der elektrisch leitfähigen Partikel gewährleiten. Gleichzeitig liegt die Transformationstemperatur des Glases jedoch deutlich oberhalb der Betriebstemperatur des Verdampfers.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in Schritt a) ein Glas mit einem Alkaligehalt < 15 Gew.-% oder sogar < 6 Gew.-% oder sogar ein alkalifreies Glas bereitgestellt wird. Entsprechende Gläser zeigen eine hohe mechanische Festigkeit, gute chemische und thermische Beständigkeit und reagieren auch bei hohen Temperaturen nicht oder kaum mit den elektrisch leitfähigen Materialien. Vorzugsweise wird in Schritt a) ein Borosilikatglas als dielektrisches Material bereitgestellt.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die in Schritt a) bereitgestellten elektrisch leitfähigen Partikeln eine mittlere Partikelgröße (dso) im Bereich von 0,1 bis 1000 pm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 50 pm aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich weisen die Partikel des in Schritt a) bereitgestellten dielektrischen Materials eine mittlere Partikelgröße (dso) im Bereich von 1 bis 50 pm auf. Insbesondere ist die mittlere Partikelgröße (dso) des dielektrischen Materials kleiner als 30 pm. Entsprechende Partikelgrößen des dielektrischen Materials führen zu Sinterkörpern, bei denen der maximale Abstand zwischen benachbarten elektrisch leitfähigen Partikeln kleiner als 30 pm oder sogar kleiner als 10 pm ist. Dies gewährleistet im entsprechenden Sinterkörper eine Stromleitung auch bei geringen Gehalten an elektrisch leitfähigem Material.
In Schritt b) kann eine besonders homogene Mischung auch dadurch erhalten werden, dass die Korngrößen der Pulver von dielektrischen und elektrisch leitfähigen Material so aufeinander abgestimmt werden, dass eine Segregation oder Entmischung der Pulver oder Agglomeration eines Pulvers aufgrund stark unterschiedlicher Korngrößen vermieden wird. Eine homogene Mischung in Schritt b) wirkt sich wiederum vorteilhaft auf die Homogenität des Komposits und damit auch auf die Homogenität der elektrischen Leitfähigkeit aus. Weiterhin sind zu kleine Korngrößen der Pulver beziehungsweise eines Pulvers, auch falls diese hinsichtlich der Korngrößen angepasst aneinander sind, möglichst zu vermeiden, um unnötige Verstaubung während deren Verarbeitung zu minimieren. Als erste elektrisch leitfähige Materialien werden in Schritt a) Materialien mit einer elektrischen Leitfähigkeit von höchstens 30 S/pm, bevorzugt Titan, Chrom, Stahl, Mangan, Silizium oder entsprechende Legierungen verwendet. Auch Kombinationen aus den oben genannten Materialien sind möglich. Vorzugsweise werden als zweite elektrisch leitfähige Materialien mit einer elektrischen Leitfähigkeit im Bereich von > 20 bis 70 S/pm, insbesondere Goldpartikel, Silberpartikel und/oder Platinpartikel, bereitgestellt. Insbesondere diese Edelmetalle weisen hierbei neben hohen elektrischen Leitfähigkeiten eine hohe chemische Beständigkeit und/oder hohe Schmelzpunkte auf.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Partikel des in Schritt a) bereit gestellten elektrisch leitfähigen Materials, insbesondere des zweiten elektrisch leitfähigen Materials, eine plättchenförmige Geometrie, bevorzugt eine plättchenförmige Geometrie mit einer maximalen Dicke dmax und einer maximalen Länge Imax, wobei gilt dmax < Imax auf. Entsprechende Geometrien eignen sich insbesondere zur Verwendung in Sinterkörpern mit einem geringen Anteil an elektrisch leitfähigen Materialien, d.h. in Sinterkörpern, bei denen ein Stromfluss zu einem hohen Maße durch Elektronentunnelströme realisiert wird. Hierbei haben sich insbesondere plättchenförmige Partikel, deren maximale Länge zumindest doppelt so groß ist wie die maximale Breite, als vorteilhaft herausgestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsformen beträgt das Verhältnis von maximaler Dicke zur maximalen Länge 1 :2 bis 1 :7.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in einem dem Schritt e) und/oder Schritt f) nachgelagerten Schritt h) eine elektrisch leitfähige Beschichtung, insbesondere eine Beschichtung, besonders bevorzugt eine oxydische ITO oder AZO oder nitridische, insbesondere TiN- haltige, oder metallische Beschichtung, auf den Sinterkörper aufgebracht wird. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht hierbei vor, dass die Beschichtung mittels Sol-Gel-Verfahren oder CVD-Verfahren auf die Oberfläche des Sinterkörpers aufgebracht wird. Ebenfalls ist denkbar, insbesondere da der Sinterkörper bereits mindestens eine Grundleitfähigkeit aufweist, auch galvanisch aufbringbare bzw. prozessierbare Schichtmaterialien, beispielsweise Gold, Silber oder Kupfer und/oder Kombinationen davon, beispielsweise als Schichtfolge, in Betracht zu ziehen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines konventionellen Verdampfers,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Sinterkörpers mit elektrischer Kontaktierung an den Mantelflächen des Sinterkörpers,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sinterkörpers im Querschnitt,
Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt des in Fig. 4 gezeigten Querschnitts und
Fig. 6 eine REM-Aufnahme eines Ausführungsbeispiels und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels mit einer zusätzlichen elektrisch leitfähigen Beschichtung auf dem Sinterkörper.
In Fig. 1 wird ein Beispiel für einen konventionellen Verdampfer mit einem porösen Sinterkörper 2 als Flüssigkeitsspeicher gezeigt. Durch die Kapillarkräfte des porösen Sinterkörpers 2 wird die zu verdampfende Flüssigkeit 1 vom porösen Sinterkörper 2 aufgenommen und weiter in alle Richtungen des Sinterkörpers 2 transportiert. Die Kapillarkräfte werden dabei durch die Pfeile 4 symbolisiert. Im oberen Abschnitt des Sinterkörpers 2 wird eine Heizspirale 3 so positioniert, dass der entsprechende Abschnitt 2a des Sinterkörpers 2 durch Wärmestrahlung erhitzt wird. Die Heizspirale 3 wird daher sehr nah an die Mantelflächen des Sinterkörpers 2 gebracht und soll die Mantelflächen möglichst nicht berühren. In der Praxis ist jedoch ein direkter Kontakt von Heizdraht und Mantelfläche oft nicht vermeidbar.
Im Heizbereich 2a erfolgt die Verdampfung der Flüssigkeit 1. Dies wird durch die Pfeile 5 dargestellt. Die Verdampfungsgeschwindigkeit ist dabei abhängig von der Temperatur und des Umgebungsdrucks ab. Je höher die Temperatur und je niedriger der Druck ist, desto schneller erfolgt die Verdampfung der Flüssigkeit im Heizbereich 2a.
Da die Verdampfung der Flüssigkeit 1 nur lokal an den Mantelflächen des Heizbereiches 2a des Sinterkörpers erfolgt, muss die Erwärmung dieses lokalen Bereiches mit relativ hohen Heizleistungen erfolgen um eine schnelle Verdampfung innerhalb von 1 bis 2 Sekunden zu erreichen. Daher müssen hohe Temperaturen von mehr als 200°C aufgewendet werden. Hohe Heizleistungen, insbesondere in einem lokal eng begrenztem Bereich, können jedoch zu einer lokalen Überhitzung und somit gegebenenfalls zu einer Zersetzung der zu verdampfenden Flüssigkeit 1 und des Materials des Flüssigkeitsspeichers bzw. Dochtes führen.
Des Weiteren können hohe Heizleistungen auch zu einer zu schnellen Verdampfung führen, so dass durch die Kapillarkräfte nicht schnell genug weitere Flüssigkeit 1 zur Verdampfung bereitgestellt werden kann. Dies führt ebenfalls zu einer Überhitzung der Manteloberflächen des Sinterkörpers im Heizbereich 2a. Daher kann eine Einheit, beispielsweise eine Spannungs-, Leistungs- und/oder Temperatureinstellungs, -steuerungs oder - regelungseinheit (hier nicht dargestellt) eingebaut werden, welche jedoch zu Lasten der Batterielebensdauer geht und die maximale Verdampfungsmenge limitiert.
Nachteilig am in Fig. 1 dargestellten und aus dem Stand der Technik bekannten Verdampfer sind somit die lokale Heizungsmethode und der damit verbundene uneffektive Wärmetransport, die komplexe und teure Kontrolleinheit und die Überhitzungs- und Zersetzungsgefahr der zu verdampfenden Flüssigkeit und des Speicher-ZDochtmaterials.
Fig. 2 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Verdampfereinheit, bei welcher das Heizelement 30 direkt auf dem Sinterkörper 20 angeordnet ist. Insbesondere ist das Heizelement 30 fest mit dem Sinterkörper 20 verbunden. Eine solche Verbindung kann insbesondere erzielt werden, indem das Heizelement 30 als Schichtwiderstand ausgebildet ist. Dazu wird eine leiterförmig strukturierte, elektrisch leitende Beschichtung nach Art eines Schichtwiderstands auf dem Sinterkörper 20 aufgebracht. Eine direkt auf dem Sinterkörper 20 aufgebrachte Beschichtung als Heizelement 30 ist unter anderem vorteilhaft, um einen guten Wärmekontakt zu erreichen, der ein schnelles Aufheizen ermöglicht. Jedoch weist auch die in Fig. 2 gezeigte Verdampfereinheit nur eine lokal begrenzte Verdampfungsoberfläche, so dass auch hier die Gefahr einer Überhitzung der Oberfläche gegeben ist.
Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau eines Verdampfers mit einem erfindungsgemäßen Sinterkörper 6. Wie auch der poröse Sinterkörper 2 in Fig. 1 und Fig. 2 taucht dieser in die zu verdampfende Flüssigkeit 1 ein. Durch Kapillarkräfte (dargestellt durch die Pfeile 4) erfolgt ein Transport der zu verdampfenden Flüssigkeit in das gesamte Volumen des Sinterkörpers 6. Somit wird bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Kontakten 3a und 3b der Sinterkörper 6 im gesamten Volumenbereich zwischen den Kontakten 3a und 3b mit großer Oberfläche erhitzt. Somit wird die Flüssigkeit 1 im Unterschied zu dem in Fig. 2 gezeigten Verdampfer nicht nur an den Mantelflächen des Sinterkörpers, sondern im gesamten Volumenbereich zwischen den elektrischen Kontakten des Sinterkörpers 6 gebildet. Ein Kapillartransport zu den Mantelflächen bzw. beheizten Flächen oder Elementen des Sinterkörpers 6 ist somit nicht notwendig. Zudem besteht weniger die Gefahr einer lokalen Überhitzung. Da die Verdampfung im Volumen wesentlich effizienter abläuft als mittels einer Heizspirale in einem lokal begrenzten Heizbereich kann die Verdampfung bei wesentlich geringeren Temperaturen und einer geringeren Heizleistung erfolgen. Ein geringerer elektrischer Leistungsbedarf ist insofern vorteilhaft, da somit die Nutzungszeit pro Akkuladung steigt bzw. kleinere Akkus oder Batterien verbaut werden können.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Sinterkörper
10 als Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Sinterkörper 10 weist hierbei ein Kompositmaterial
11 und darin verteilte Poren 12a, 12 b auf. Das Kompositmaterial 11 weist eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 105 S/m auf. Wird eine Spannung an den Sinterkörper 10 gelegt, so wird das gesamte Volumen des Sinterkörpers 10 von Strom durchflossen und somit erhitzt. In Fig. 5 ist ein Ausschnitt des Sinterkörpers 10 vergrößert dargestellt. Das Kompositmaterial 11 enthält als ein Hauptbestandteil das erste elektrisch leitfähige Material 13a sowie zwischen oder am ersten elektrisch leitfähigen Material 13a, bevorzugt homogen, verteilte, elektrisch leitfähige Partikel des zweiten elektrisch leitfähigen Materials 13b. Die elektrisch leitfähigen Partikel 13a und 13b werden hierbei durch das dielektrische Material 13c zusammengehalten. In der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform weisen die elektrisch leitfähigen Partikel 13a und 13b eine plättchenförmige Geometrie auf.
Die Beheizung des Sinterkörpers 10 kann wie vorstehend beschrieben durch einen Stromfluss erfolgen. Demgemäß kann dazu eine Heizeinrichtung in Form einer Stromquelle vorgesehen sein. Allgemein, ohne Beschränkung auf spezielle Ausführungsbeispiele ist aber auch eine induktive Beheizung möglich. Demgemäß ist dazu in einer Ausführungsform eine induktive Heizeinrichtung vorgesehen, welche eingerichtet ist, ein Induktionsfeld zu erzeugen. Für eine induktive Beheizung ist der Sinterkörper 10 ausgebildet, Energie des Induktionsfelds aufzunehmen und sich dadurch aufzuheizen. Eine induktive Beheizung ist allgemein besonders dann gut zu realisieren, wenn der Sinterkörper ein elektrisch leitfähiges Material umfasst, welches ferromagnetisch ist. Vorzugsweise wird dazu ein ferromagnetischer Edelstahl als ein erstes leitfähiges Material vorgesehen. Derart ausgewählte elektrisch leitfähige Materialien eröffnen damit auch die Möglichkeit, dass der Sinterprozess mittels induktiver Beheizung ausgeführt werden kann. Auch die Beheizung im Sinterprozess mittels Mikrowellen oder kapazitiver Technologie ist denkbar.
Ein entsprechender Sinterkörper 6 als Beispiel 1 mit einer elektrischen Leitfähigkeit ca. 1 S/m und einer Porosität von ca. 55 VoL-% kann hierbei durch Bereitstellung einer Mischung aus 25 VoL-% Glas mit 65 VoL-% Edelstahl 1.4404 (d50 von 50-150pm) und 10 VoL-% Silber (d50 von 1-1 Opm) in Schritt a) erhalten werden. In Schritt b) erfolgt die Zugabe eines Porenbildners, vorzugsweise eines organischen Porenbildners, und nachfolgend die Herstellung eines Grünkörpers. Dieser wird nachfolgend durch thermische Behandlung in regulärer Ofenatmosphäre auf eine Temperatur, die ca. der Erweichungstemperatur des eingesetzten Glases entspricht, erhitzt und zum Sinterköper 6 gesintert.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel weist der Sinterkörper eine Porosität von 55 Vol.- % auf. Das Kompositmaterial enthält hierbei 23 VoL-% Borosilikatglas (FIOLAX®) als dielektrisches Material, 60 VoL-% Edelstahl 1.4404 als erstes elektrisch leitfähiges Material und 17 VoL-% Silber als zweites elektrisch leitfähiges Material auf. Die Partikel der elektrisch leitfähigen Materialien weisen hierbei eine mittlere Korngröße d50 im Bereich von 20 bis 60 pm auf. Die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers beträgt 2000 S/m.
Die elektrische Leitfähigkeit wird durch Widerstandmessung beispielsweise an Probekörpern von ca. 5 bis 10 mm Durchmesser und 5 bis 10 mm Höhe und Umrechnung des Widerstandwertes in elektrische Leitfähigkeit ermittelt, wobei die Messspitzen an den gegenüberliegenden Durchmessern, ohne weitere Hilfsmittel (beispielsweise Leitpaste oder Anlöten von Kontakten), manuell, mechanisch angeordnet oder angebracht werden.
Eine andere Weiterbildung sieht vor, das dielektrische Material, etwa gemäß den Beispielen 1 und 2 dahin gehend zu modifizieren, dass der dielektrische Anteil des Sinterkörpers sowohl Glas als auch Keramik enthält. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt der keramische Anteil im dielektrischen Material 85 VoL-% und der Anteil an Glas am dielektrischen Material 15 VoL-%. Hier können ebenfalls elektrische Leitfähigkeiten im Bereich von 1 bis 10 S/m erhalten werden. Die Erfinder vermuten, dass die Art des eingesetzten dielektrischen Materials zwar die mechanischen Eigenschaften beeinflusst, jedoch nur einen sehr geringen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit des Sinterkörpers hat. Dies gilt ebenso für Sinterkörper, deren dielektrischer Anteil eine Mischung aus Glaskeramik mit einem oder beiden der Bestandteile Glas, Keramik enthält. Ein Glaskermischer Anteil kann dabei auch durch Vorlage eines kristallisierbaren Glases im Grünkörper gebildet werden, welches bei Sintern bei entsprechender Temperatur für eine Keramisierung dieses Glases keramisiert und dann als Glaskeramik vorliegt. Unterhalb einer solchen Temperatur verbleibt ein kirsitallisierbares Glas im glasigen Zustand.
Fig. 6 zeigt eine REM-Aufnahme eines Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen Sinterkörper als ein weiteres Ausführungsbeispiel. Als gerüstbildendes Metall ist in diesem Beispiel Edelstahl verwendet worden. Die Edelstahl-Partikel sind im Wesentlichen rund, insbesondere oval bis kugelförmig. Einige dieser runden Partikel 23 sind als runde hellgraue Elemente im REM-Bild zu erkennen. Das Glas weist im REM-Bild einen ähnlichen Kontrast wie der Edelstahl auf und lässt sich im Bild daher kaum differenzieren. Als sehr helle Bereiche erscheinen die versinterten Partikel 24 des zweiten elektrisch leitfähigen Materials, hier Silberpartikel. Die Poren sind im Bild als schwarze Bereiche erkennbar. Generell können die mittleren Korngrößen des ersten und des zweiten leitfähigen Materials unterschiedlich sein. Bevorzugt ist, wie auch im Beispiel der Fig. 6 erkennbar, die mittlere Korngröße des zweiten elektrisch leitfähigen Materials (im Beispiel Silberpartikel) kleiner als die mittlere Korngröße des ersten elektrisch leitfähigen Materials (im Beispiel Edelstahlpartikel).
Fig. 7 zeigt den Aufbau eines beschichteten Sinterkörpers 6 mit offener Porosität an Hand eines schematischen Querschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel. Der beschichtete Sinterkörper 1 weist ein poröses Kompositmaterial 11 aus dielektrischem Material, erstem elektrisch leitfähigen Material und zweitem elektrisch leitfähigen Material mit offenen Poren 12a, 12b auf. Ein Teil der offenen Poren 12b bildet mit ihrer Porenoberfläche die Mantelflächen des Sinterkörpers, während ein anderer Teil der Poren 12a das Innere des Sinterkörpers bilden. Alle Oberflächen des Sinterkörpers weisen eine elektrisch leitfähige Beschichtung 9a, beispielsweise in Form einer ITO-Beschichtung, auf. Wird eine Spannung am Sinterkörper angelegt, so fließt der Strom durch das gesamte Volumen des Sinterkörpers.
Ein entsprechend beschichteter Sinterkörper 6 als Beispiel 8 kann hierbei erhalten werden, indem zunächst ein Sinterkörper mit einer relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 100 S/m hergestellt wird. Um die gewünschte, höhere elektrische Leitfähigkeit, beispielsweise im Bereich von 100 bis 600 S/m zu erhalten, wird der Sinterkörper nachfolgend mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung, beispielsweise einer ITO-haltigen oder AZO-haltigen Beschichtung, versehen. Durch die elektrische Grundleitfähigkeit des Sinterkörpers werden hierbei (verglichen mit einem Sinterkörper ohne elektrisch leitfähiges Material) 50 % weniger Beschichtungsmaterial benötigt. Weiterhin ist der Beschichtungsprozess auch weniger zeitintensiv. So kann die für den Beschichtungsprozess benötigte Prozesszeit um bis zu 70% reduziert werden.
Bezuqszeichenliste
1 Trägerflüssigkeit
2 Sinterkörper
2a Heizzone
3, 30 Heizelement
3a, 3b Kontakte
4 Kapillarkräfte
5 Dampf
6 Sinterkörper
8a, 8b Poren
9, 9a elektrisch leitfähige Beschichtung
10 elektrisch leitfähiger Sinterkörper
11 Kompositmaterial
12a, 12b Pore
13a erstes elektrisch leitfähiges Material
13b elektrisch leitfähige Partikel des zweiten elektrisch leitfähigen Materials
13c dielektrisches Material
14 Abstand zwischen benachbarten, elektrisch leitfähigen Partikeln
20 Sinterkörper
22 Verdampfer
23 runder Partikel
24 Partikel des zweiten elektrisch leitfähigen Materials
31 , 32 Kontaktierung

Claims

36 Patentansprüche
1 . Verdampfer umfassend einen porösen Sinterkörper, wobei der Sinterkörper durch ein Komposit aus mindestens einem ersten elektrisch leitfähigen Material und zumindest einem zweiten elektrisch leitfähigen Material sowie mindestens einem dielektrischen Material gebildet wird und der Sinterkörper eine offene Porosität im Bereich von 10 bis 90 % aufweist, wobei das dielektrische Material ausgewählt wird aus der Gruppe Glas, kristallisierbares Glas, Glaskeramik, Keramik, Kunststoff und deren Kombinationen, wobei das erste elektrisch leitfähige Material eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit als das zweite elektrisch leitfähige Material aufweist, und wobei der Anteil an dielektrischem Material im Komposit 5 bis 70 VoL-%, der Anteil an erstem elektrisch leitfähigem Material im Komposit 10 bis 90 VoL-% und der Anteil an zweitem elektrisch leitfähigem Material 5 bis 50 VoL-% beträgt und der Sinterkörper eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 105 S/m aufweist.
2. Verdampfer gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale
- der Anteil des ersten elektrisch leitfähigen Materials beträgt 40 bis 90 VoL-%, besonders bevorzugt 55 bis 75 VoL-%
- der Anteil des zweiten elektrisch leitfähigen Materials im Komposit beträgt 5 bis 50 VoL-%, bevorzugt 15 bis 30 VoL-%,
- der Gesamtanteil an elektrisch leitfähigen Materialien beträgt 30 bis 95 VoL-%, bevorzugt 40 bis 90 VoL-%,
- das erste elektrisch leitfähige Material weist eine elektrische Leitfähigkeit bis 30 S/pm, bevorzugt bis 20 S/pm, und besonders bevorzugt von 0,001 bis 10 S/pm auf.
- das zweite elektrisch leitfähige Materisal weist eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 10 S/pm, bevorzugt von mehr als 20 S/pm, besonders bevorzugt von mehr als 30 S/pm und ganz besonders bevorzugt von bis zu 70 S/pm auf,
- zumindest eines der elektrisch leitfähigen Materialien weist einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten auf,
- der Sinterkörper enthält ein elektrisch leitendes Material mit einem 37
Temperaturkoeffizienten des Widerstandes von zumindest -0,0001 1/K und/oder kleiner als 0,008 1/K.
3. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verdampfer, bevorzugt der Sinterkörper einen elektrischen Widerstand im Bereich von 0,05 bis 5 Ohm, bevorzugt 0,1 bis 5 Ohm aufweist, der Verdampfer mit einer Spannung im Bereich von 1 bis 12 V aufweist und/oder mit einer Heizleistung von 1 bis 500 W, bevorzugt 1 bis 300 W, besonders bevorzugt 1 bis 150 W betrieben wird.
4. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sinterkörper als erstes elektrisch leitendes Material Titan, Chrom, Stahl, Eisen, Molybdän, Wolfram, Mangan, Nickel, Kupfer und/oder Silizium, eine Mischung daraus oder deren Legierungen, bevorzugt Edelstahl, besonders bevorzugt rostfreier Edelstahl und/oder als zweites elektrisch leitendendes Material Aluminium, Kupfer, Platin, Gold und/oder Silber, eine Mischung daraus oder deren Legierungen enthält.
5. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sinterkörper zusätzlich eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweist.
6. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale:
- die Partikel des ersten und/oder des zweiten elektrisch leitfähigen Materials im Sinterkörper weisen Partikelgrößen dso im Bereich von 0,1 pm bis 1000 pm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 300 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 150 pm auf,
- die Partikel des ersten und/oder zweiten elektrisch leitfähigen Materials, bevorzugt zumindest die Partikel des zweiten elektrisch leitfähigen Materials, sind plättchenförmig ausgebildet,
- die Partikel des ersten und/oder zweiten elektrisch leitfähigen Materials, bevorzugt zumindest die Partikel des zweiten elektrisch leitfähigen Materials weisen eine maximale Dicke dmax und eine maximale Länge lmax auf, wobei gilt dmax < Imax, besonders bevorzugt 2 dmax *• Imax, ganz besonders bevorzugt 7 dmax < Imax, - die offenen Poren des Sinterkörpers weisen eine mittlere Porengröße im Bereich von 1 pm bis 5000 pm, bevorzugt 50 bis 800 pm und besonders bevorzugt im Bereich von 100 bis 600 pm auf.
7. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sinterkörper als zumindest ein dielektrisches Material Glas enthält oder daraus besteht , bevorzugt ein Glas mit zumindest einem der folgenden Merkmale
- mit einem Alkaligehalt < 15 Gew.-%, besonders bevorzugt ein Glas mit einem Alkaligehalt < 6 Gew.-%
- mit Anteil an Netzwerkbildnern von zumindest 50 Gew.%, bevorzugt zumindest 70 Gew%- mit einer Transformationstemperatur Tg im Bereich von 300 bis 900 °C, bevorzugt 500 bis 800 °C
- mit einer Wasserbeständigkeit Klasse 3, bevorzugt mit einer Wasserbeständigkeit der Klasse 1 oder 2 (gemessen nach ISO 719).
8. Verdampfer gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Glas ein Borosilikatglas, bevorzugt ein Borosilikatglas enthaltend die folgenden Bestandteile SiO? 50 bis 85 Gew.-%
B2O3 1 bis 30 Gew.-%
AI2O3 1 bis 30 Gew.-%
£Na2O + K2O 1 bis 30 Gew.-% MgO + CaO + BaO + SrO 1 bis 40 Gew.-% ist.
9. Verwendung eines Verdampfers gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8 als Bauteil in einer elektronischen Zigarette, einem medizinischen Inhalator, einem Duftspender, einem Raumbefeuchter, zur Desinfektion oder zum Aufheizen von Gasen.
10. Verfahren zur Herstellung eines Verdampfers, insbesondere eines Verdampfers gemäß Anspruch 1, umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellung eines ersten elektrisch leitenden Materials, eines zweiten elektrisch leitenden Materials und eines dielektrisches Materials in Pulverform, b) Mischen der in Schritt a) bereitgestellten Pulver mit zumindest einem Porenbildner, c) Erzeugung eines Grünkörpers aus der in Schritt b) bereit gestellten Pulvermischung durch Pressen, Gießen oder Extrudieren, d) Sintern des in Schritt c) erzeugten Grünkörpers mit einer Sintertemperatur Tsinter.
11. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, mit zumindest einem der folgenden Merkmale:
- das in Schritt a) bereit gestellte dielektrische Material umfasst Glas, kristallisierbares Glas oder Glaskeramik, wobei das erste elektrisch leitfähige Material einen Schmelzpunkt Tschmeiz aufweist, wobei gilt Tschmeiz > Tsinter und wobei der Anteil des ersten elektrisch leitfähigem Materials in dem in Schritt a) bereitgestellten Pulver 10 bis 90 Vol .-% und des zweiten elektrisch leitfähigen Materials in dem in Schritt a) bereitgestellten Pulver 5 bis 50 VoL-% und der Anteil des dielektrischem Materials in dem in Schritt a) bereitgestellten Pulver 5 bis 70 VoL-% beträgt,
- in Schritt a) wird als Porenbildner ein Material zugegeben, dessen Zersetzungstemperatur Tzersetzung und/oder Verdampfungstemperatur Verdampfung unterhalb der Sintertemperatur Tsinter des dielektrischen Materials liegt, und wobei der in Schritt e) erhaltene Grünkörper vor Schritt d) auf eine Temperatur V erhitzt wird, die oberhalb der Zersetzungstemperatur und/oder der Verdampfungstemperatur des Porenbildners liegt, wobei kleiner als die Sintertemperatur Tsinter ist,
- in Schritt a) beträgt der Anteil an erstem elektrisch leitfähigem Material 10 bis 90 Vol.- %, bevorzugt 55 bis 75 VoL-%, der Anteil des zweiten elektrisch leitfähigen Materials 5 bis 50 VoL-%, der Gesamtgehalt von erstem und zweitem elektrisch leitfähigen Material 30 bis 95 VoL-%,
- in Schritt a) beträgt der Anteil des dielektrischen Materials 5 bis 70 VoL-%.
12. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei der Porenbilder eine Zersetzungstemperatur Tzersetzung und/oder eine Verdampfungstemperatur Verdampfung aufweist, die zumindest 10°C, bevorzugt zumindest 50°C und besonders bevorzugt zumindest 100°C unterhalb der Sintertemperatur Vinter liegt und/oder zumindest 10°C, bevorzugt zumindest 50°C niedriger als die Fügetemperatur Trüge des dielektrischen Materials ist und/oder der Anteil des Porenbildners in der in Schritt b) bereitgestellten Mischung 40 bis 80 VoL-% beträgt.
13. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 10 bis 12, wobei die Schmelztemperatur Tsmp des ersten elektrisch leitfähigen Materials zumindest 10°C, bevorzugt zumindest 50°C und besonders bevorzugt zumindest 100°C oberhalb der Fügetemperatur Trüge des dielektrischen Materials liegt.
14. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 10 bis 13, wobei in einem dem Schritt d) nachgelagerten Schritt e) der Sinterkörper nachbearbeitete, bevorzugt geschliffen, gebohrt, poliert, gefräst und/oder gedreht wird und/oder in einem dem Schritte d) und/oder in einem dem Schritt e) nachgelagerten Schritt f) der Sinterkörper elektrisch kontaktiert, bevorzugt durch Auftrag einer elektrisch leitfähigen Paste oder Anlöten von Leitungen, wird.
15. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 10 bis 13, wobei in Schritt a) als dielektrisches Material ein Glas, bevorzugt ein Glas mit einem Alkaligehalt < 15 Gew.-%, besonders bevorzugt ein Borosilikatglas, als erstes elektrisch leitendendes Material Titan, Eisen, Chrom, Wolfram, Molybdän, Stahl, bevorzugt Edelstahl, deren Legierungen und/oder Silizium und/oder als zweites elektrisch leitendes Material, Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Platin und/oder deren Legierungen bereitgestellt wird.
16. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 10 bis 15, wobei die Partikel des in Schritt a) bereit gestellten elektrisch leitfähigen Materials plättchenförmig ausgebildet sind, eine maximale Dicke dmax und eine maximale Länge Imax aufweisen, wobei gilt dmax < Imax, besonders bevorzugt 2 dmax < Imax und/oder die Partikel des in Schritt a) bereitgestellten dielektrischen Materials eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 0,1 bis 1000 pm, bevorzugt 1 bis 200 pm, besonders bevorzugt 1 bis 10pm und/oder eine Partikelgröße kleiner 1000 pm, bevorzugt kleiner 41
200 pm aufweisen.
17. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 10 bis 16, wobei der Sinterkörper in einem dem Verfahrensschritt d) nachgelagerten Schritt h) mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung, bevorzugt durch ein Sol-Gel-Verfahren oder CVD- Verfahren versehen wird.
18. Poröser Sinterkörper, insbesondere für einen Verdampfer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei der Sinterkörper durch ein Komposit aus mindestens einem ersten elektrisch leitfähigen Material und zumindest einem zweiten elektrisch leitfähigen Material sowie mindestens einem dielektrischen Material gebildet wird, der eine offene Porosität im Bereich von 10 bis 90 % aufweist, wobei das dielektrische Material ausgewählt wird aus der Gruppe Glas, kristallisierbares Glas und/oder Glaskeramik, wobei das erste elektrisch leitfähige Material eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit als das zweite elektrisch leitfähige Material aufweist, und wobei der Anteil an dielektrischem Material im Komposit 5 bis 70 VoL-%, der Anteil an erstem elektrisch leitfähigem Material im Komposit 10 bis 90 VoL-% und der Anteil an zweitem elektrisch leitfähigem Material 5 bis 50 VoL-% beträgt und der Sinterkörper eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 105 S/m aufweist.
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