Відновлений керамічний нагрівальний елемент

Реферат: Електричний нагрівальний елемент, який включає в себе корпус (10), який містить керамічний матеріал, і електропровідний шар (18), який сформований на поверхні згаданого корпусу та містить відновлену форму згаданого керамічного матеріалу, при цьому згаданий електропровідний шар має першу і другу контактні частини (20, 22) для підключення до джерела напруги і щонайменше одну електропровідну доріжку між згаданими першою і другою контактними частинами. Для формування цього електропровідного шару згаданий корпус (10) нагрівального елемента уміщують у відновлювальне середовище при температурі, достатній для формування цього електропровідного шару (18) на поверхні згаданого корпусу. UA 112169 C2 (12) UA 112169 C2 UA 112169 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Цей винахід стосується електронагрівального елемента. Більш конкретно, цей винахід стосується нагрівального елемента для нагрівання аерозолетвірного субстрату в електронагрівній системі утворення аерозолю. Цей винахід стосується способу виготовлення нагрівального елемента, а також способу виготовлення нагрівального елемента для нагрівання аерозолетвірного субстрату в електронагрівній системі утворення аерозолю. Цей винахід знаходить особливе застосування як нагрівальний елемент для нагрівання аерозолетвірного субстрату в курильній системі з електричним керуванням, а також як спосіб виготовлення нагрівального елемента для нагрівання аерозолетвірного субстрату в курильній системі з електричним керуванням. В документах відомого рівня техніки, таких як ЕР-А-0917830, описані нагрівальні елементи для електричного нагрівання тютюнових виробів, які складаються з множини окремих металевих нагрівальних елементів, котрі пересуваються в осьовому напрямку вздовж курильного пристрою, і розташовані на певній відстані один від одного по його обводу. Такі нагрівальні елементи складні і мають велику вартість виробництва, оскільки вони вимагають виконання ряду операцій обробки металів тиском. Також були запропоновані внутрішні нагрівальні елементи, які вставляють безпосередньо в тютюнові вироби. Це забезпечує підвищення ефективності, оскільки вся теплова енергія передається до середовища, з яким контактує нагрівальний елемент, а це також дозволяє зменшити розмір курильної системи, зокрема, її діаметр, який є зменшеним на величину, потрібну для термоізоляційної оболонки. Винахідники взяли до уваги, що було б корисно запропонувати нагрівальний елемент, придатний для використання як внутрішній нагрівальний елемент в курильній системі з електричним керуванням, оскільки він є простим і недорогим у виробництві, й спосіб виготовлення такого нагрівального елемента, який забезпечує пристосовуваність конструкції цього нагрівального елемента. За першим аспектом цього винаходу запропонований електричний нагрівальний елемент, який включає в себе корпус, який містить керамічний матеріал, і сформовану на або в згаданому корпусі електропровідну доріжку, яка містить відновлену форму згаданого керамічного матеріалу і має першу і другу контактні частини для підключення до джерела напруги, причому згаданий корпус виконаний так, щоб вміщувати аерозолетвірний субстрат. Електропровідна доріжка може бути сформована, наприклад, шляхом уміщення згаданого корпусу у відновлювальне середовище при достатній температурі протягом заздалегідь заданого періоду часу. Альтернативно електропровідна доріжка може бути сформована із застосуванням процесу електрохімічного відновлення. У будь-якому іншому випадку електропровідна доріжка за варіантом, якому віддається перевага, виконана у вигляді провідного шару на поверхні згаданого корпусу. За варіантом, якому віддається перевага, товщина цього електропровідного шару становить менше ніж 10 мкм. Товщина згаданого електропровідного шару може бути обрана шляхом вибору умов, за яких його утворюють, таких як температура і тривалість обробки. Протяжність, на яку цей шар вкриває згаданий корпус, також може бути змінена шляхом селективного травлення певних частин електропровідної доріжки або шляхом захисту певних частин корпусу, які не підлягають обробці під час процесу відновлення. Таким чином, можна одержати бажаний опір нагрівального елемента. У варіанті здійснення цього винаходу, якому віддається перевага, опір нагрівального елемента становить від 0,5 Ом до 2 Ом. Згаданий корпус може бути повністю або частково сформований з оксиду металу, і згаданий електропровідний шар може бути сформований з металу, який входить до складу цього оксиду металу. Наприклад, корпус може бути сформований із діоксиду цирконію, й електропровідна доріжка може бути сформована із цирконію. Альтернативно корпус може бути сформований із оксиду алюмінію, й електропровідна доріжка може бути сформована з алюмінію. Електропровідна доріжка може працювати як резистивний нагрівач і може бути розташована на корпусі в різних місцях, що дозволяє отримати велику пристосовуваність конструкції. Корпус може бути сформований інжекційним формуванням та спіканням. Форма і розмір корпусу можуть бути обрані відповідно до конкретного варіанта застосування. Електропровідна доріжка може повністю покривати поверхню корпусу. Альтернативно електропровідна доріжка може утворити візерунок на поверхні згаданого корпусу. Такий візерунок може визначити множину електропровідних доріжок між першою і другою контактними частинами. Корпус за варіантом, якому віддається перевага, має видовжену форму з першою і другою контактними частинами, розташованими на першому кінці згаданого корпусу, і електропровідною доріжкою, яка простягається до і від другого кінця згаданого корпусу. 1 UA 112169 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корпусу може бути надана інша геометрична форма, така як трубчаста форма або плоска форма. Цей винахід надає можливість використання для нагрівального елемента складних форм, при використанні яких формування провідного шару методом металізації або напилення було б утрудненим. За варіантом, якому віддається перевага, корпус має загалом круглий поперечний переріз. Це доцільно, оскільки цей корпус можна буде легко вставити в аерозолетвірний субстрат і видалити з нього. Корпус може бути покритий пасивувальним шаром, таким як скло. Це підвищує стійкість електропровідної доріжки. За другим аспектом цього винаходу запропонована електронагрівна система утворення аерозолю для вміщення аерозолетвірного субстрату, яка включає в себе один або більше нагрівальних елементів за першим аспектом цього винаходу, і джерело напруги, з'єднане зі згаданими нагрівальними елементами на першій і другій контактних частинах. За третім аспектом цього винаходу запропонований спосіб виготовлення електричного нагрівального елемента, який включає операції: формування корпусу нагрівального елемента, який містить керамічний матеріал і виконаний так, щоб вміщувати аерозолетвірний субстрат; уміщення згаданого корпусу нагрівального елемента у відновлювальне середовище при температурі, достатній для формування на або в згаданому корпусі електропровідної доріжки, яка містить відновлену форму згаданого керамічного матеріалу; і спорядження електричними контактними частинами для підключення згаданої електропровідної доріжки до джерела напруги. За варіантом, якому віддається перевага, операція формування корпусу нагрівального елемента включає інжекційне формування. Альтернативно операція формування корпусу нагрівального елемента може включати гаряче ізостатичне пресування, шлікерне лиття або напівсухе пресування. Операція формування корпусу нагрівального елемента може додатково включати механічну обробку. Операція формування корпусу нагрівального елемента може додатково включати випал або спікання. Відновлювальне середовище за варіантом, якому віддається перевага, по суті не містить кисню. Операція уміщення корпусу нагрівального елемента у відновлювальне середовище може включати уміщення корпусу у середовище водню або середовище оксиду вуглецю. За варіантом, якому віддається перевага, середовище водню включає потік газоподібного водню. Температура, достатня для формування електропровідного шару на поверхні згаданого корпусу, залежить від атмосфери і складу матеріалу цього корпусу. Однак за варіантом, якому віддається перевага, згадана достатня температура становить вище ніж 200 °C. За варіантом, якому віддається більша перевага, достатня температура становить від 1000 °C до 1300 °C. За варіантом, якому віддається перевага, операція уміщення корпусу нагрівального елемента у відновлювальне середовище включає уміщення корпусу нагрівального елемента у відновлювальне середовище протягом щонайменше однієї години, й за варіантом, якому віддається більша перевага, - протягом щонайменше двох годин. За варіантом, якому віддається перевага, спосіб також включає формування пасивувального шару на корпусі нагрівального елемента після операції уміщення згаданого корпусу нагрівального елемента у відновлювальне середовище. Пасивувальний шар запобігає повторному окисненню електропровідної доріжки або значно його зменшує. Пасивувальний шар може бути сформований зі скла з використанням методу хімічного осадження із парової чи газової фази або плазмового осадження. За четвертим аспектом цього винаходу запропонований спосіб виготовлення електричного нагрівального елемента, який включає операції: формування корпусу нагрівального елемента, який містить керамічний матеріал і виконаний так, щоб вміщувати аерозолетвірний субстрат; уміщення згаданого корпусу нагрівального елемента у відновлювальний електроліт та здійснення електрохімічного відновлення згаданого корпусу нагрівального елемента для утворення на або в цьому корпусі електропровідної доріжки, яка містить відновлену форму керамічного матеріалу; і спорядження електричними контактними частинами для підключення згаданої електропровідної доріжки до джерела напруги. Відновлювальним електролітом може бути хлорид кальцію. Варіанти здійснення цього винаходу будуть нижче описані у вигляді прикладу з посиланнями на прикладені фігури, на яких: Фіг. 1а являє собою зображення нагрівального елемента за одним із варіантів здійснення цього винаходу; Фіг. 1b являє собою схематичне зображення поперечного перерізу нагрівального елемента, зображеного на Фіг. 1а; 2 UA 112169 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Фіг. 2 являє собою блок-схему послідовності технологічних операцій за одним із варіантів виконання способу за цим винаходом; і Фіг. 3 являє собою схематичне зображення нагрівального елемента, який використовується у курильних виробах за одним із варіантів здійснення цього винаходу. Фіг. 1а і Фіг. 1b ілюструють один із прикладів нагрівального елемента за цим винаходом. Нагрівальний елемент включає в себе корпус 10, сформований із діоксиду цирконію. Корпус, якому надана загалом V-подібна форма, має гострий кінець 12 і два задні кінці 14, 16. Корпус може мати будь-яку бажану форму і, в цьому прикладі, сформований інжекційним формуванням з виконанням подальшої будь-якої необхідної механічної обробки. Після механічної обробки корпус піддають випалу та спіканню до утворення жорсткого корпусу. Поверхня корпусу 10 покрита шаром 18 металічного цирконію, як описано з посиланням на Фіг. 2. Шар 18 цирконію є відносно електропровідним в порівнянні з корпусом 10 із діоксиду цирконію, і може бути використаний як резистивний нагрівальний елемент. У цьому прикладі шар цирконію має опір близько 0,1 Ом/мм. Електричні контакти 20, 22 розташовані на задніх кінцях нагрівального елемента і виконані зі срібної пасти. Ця срібна паста використовується для забезпечення електричного контакту між нагрівальним елементом і зовнішнім джерелом живлення, і згодом може бути виконане електричне з'єднання, за варіантом, якому віддається перевага, в інертній атмосфері, яка не містить кисню. Можуть використовуватися інші методи для забезпечення електричного контакту, такі як лазерне зварювання, плазмове дугове зварювання або газодугове зварювання вольфрамовим електродом. Однак для того, щоб запобігти окисненню відновленої кераміки, зварювання необхідно виконувати в інертній атмосфері, яка не містить кисню, або навіть у відновлювальній атмосфері. Подавання напруги на електричні контакти нагрівального елемента призводить до протікання струму в поверхневому шарі і, отже, до нагрівання електричним струмом цього поверхневого шару. Подавання напруги 8 В на нагрівальний елемент, як показано на Фіг. 1, призводить до підвищення температури цього нагрівального елемента до 400-500 °C. Фіг. 1b являє собою поперечний переріз нагрівального елемента 10, на якому показаний поверхневий шар 18 цирконію. Фіг. 1b виконана не в масштабі. У цьому прикладі товщина цього електропровідного поверхневого шару становить менше ніж 100 мкм, за варіантом, якому віддається перевага, - від 5 мкм до 10 мкм. Незважаючи на це, не може бути чіткої межі між електропровідним шаром і невідновленою частиною корпусу, так що виміряна товщина може варіювати від 5 мкм до 100 мкм. Замість цього, ступінь відновлення кераміки знижується зі збільшенням відстані в глибину від зовнішньої поверхні. Нагрівальний елемент 10 виконаний з круглим поперечним перерізом. Дві гілки нагрівального елемента виконані з напівкруглим поперечним перерізом, так що весь переріз приблизно круглий по всій довжині. Це дозволяє вставляти згаданий нагрівальний елемент в субстрат та витягати цей нагрівальний елемент із субстрату легше, ніж елементи, які мають інші форми. Нагрівальний елемент, як показано на Фіг. 1а і Фіг. 1b, можна виготовити із застосуванням простого термохімічного процесу. Після виготовлення корпусу 10 шляхом формування або іншого процесу, поверхневий шар 18 утворюють шляхом уміщення корпусу у відновлювальну атмосферу при високій температурі. Кисень, який знаходиться на поверхні корпусу, у цих умовах видаляється, залишаючи тонкий шар цирконію. Фіг. 2 ілюструє технологічні операції способу виготовлення нагрівального елемента, зображеного на Фіг. 1. На операції 200 корпусу надають бажану форму інжекційним формуванням порошку цирконію. Сформований корпус потім уміщують в атмосферу водню на операції 210 і нагрівають до 1200 °C на операції 220. Атмосфера водню включає потік водню. Величина витрати водню може бути використана для контролю рівня, тобто ступеня, відновлення корпусу. Тривалість знаходження корпусу у відновлювальному середовищі також впливає на ступінь відновлення і, таким чином, на опір виготовленого нагрівального елемента. У цьому варіанті здійснення цього винаходу корпус витримують у відновлювальному середовищі протягом двох годин. Цей процес призводить до утворення електропровідного шару на поверхні корпусу, який проникає в згаданий корпус. На операції 230 нагрівальний елемент охолоджують. На цій операції може бути утворений будь-який поверхневий візерунок з використанням стандартної технології травлення або фотолітографії. На операції 240 на нагрівальному елементі корпусу формують пасивувальний шар скла з використанням хімічного осадження із парової чи газової фази. Пасивувальний шар утворюється в той проміжок часу, коли нагрівальний елемент залишається в середовищі, яке не містить кисню, і може бути утворений до початку будь-якого травлення або фотолітографії. На операції 250 електричні 3 UA 112169 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 контакти прикріплюють до нагрівального елемента з використанням срібної пасти, і згаданий нагрівальний елемент може бути встановлений на пристрої, в якому він буде використовуватися. Наприкінці срібна паста твердне. Нагрівач, який зображений на Фіг. 1а і Фіг. 1b, можна використовувати в електронагрівній курильній системі, зокрема, в курильних пристроях, які використовують відносно низькотемпературне джерело тепла для нагрівання тютюнових виробів з метою одержання тютюнового аромату чи ароматизованого тютюном аерозолю. Нагрівальний елемент цього типу має перевагу, яка полягає в тому, що він може бути відносно простим і недорогим у виробництві, а також тим, що йому можна надати будь-яку бажану форму і розмір. Фіг. 3 являє собою схематичне зображення одного з прикладів нагрівального елемента, який використовується з аерозолетвірним субстратом, у розібраному вигляді. Зображений на Фіг. 3 нагрівальний елемент 30 має загалом V-подібну форму, яка показана на Фіг. 1а. Ізолювальний шар 32 розташований на задньому боці нагрівального елемента, щоб ізолювати решту курильного пристрою, включаючи джерело 34 напруги, від нагрівального елемента. Електричні з'єднувачі 36 простягаються до і від джерела 34 напруги, через ізолювальний шар 32 до електричних контактних частин на нагрівальному елементі 30. Нагрівальний елемент вставлений у відрізок штранга аерозолетвірного субстрату 38. При використанні нагрівач нагріває матеріал субстрату 38 для утворення бажаного аерозолю. Має бути зрозуміло, що нагрівальний елемент може бути виконаний в різних конфігураціях. Наприклад, нагрівальний елемент може бути виконаний у вигляді порожнистої трубки, яка оточує відрізок штранга аерозолетвірного субстрату, з електропровідним шаром, сформованим тільки на внутрішній поверхні цієї трубки. Це може бути досягнуто шляхом видалення або електричного ізолювання електропровідного шару, сформованого на зовнішній поверхні цієї трубки. Має бути також зрозуміло, що хоча нагрівальний елемент був описаний з посиланням на електронагрівні курильні пристрої, він таким самим чином може бути використаний для інших цілей. Пристосовуваність форми та конструкції нагрівального елемента цього типу означає, що він може бути використаний у різних варіантах застосування. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Електричний нагрівальний елемент, який включає в себе корпус, який містить керамічний матеріал, і утворену на або в згаданому корпусі електропровідну доріжку, яка містить відновлену форму згаданого керамічного матеріалу і має першу і другу контактні частини для підключення до джерела напруги, причому згаданий корпус виконаний з можливістю вміщування ним аерозолетвірного субстрату і має видовжену форму, а згадана електропровіднадоріжка утворює візерунок на поверхні корпусу, при цьому згадані перша і друга контактні частини розташовані на першому кінці згаданого корпусу, а електропровідна доріжка простягається до другого кінця згаданого корпусу і від згаданого другого кінця згаданого корпусу. 2. Електричний нагрівальний елемент за п. 1, який відрізняється тим, що корпус утворений повністю або частково з оксиду металу, а електропровідна доріжка утворена з металу, який входить до складу згаданого оксиду металу. 3. Електричний нагрівальний елемент за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що корпус утворений з діоксиду цирконію, а електропровідний шар утворений з цирконію. 4. Електричний нагрівальний елемент за будь-яким із попередніх пунктів, який відрізняється тим, що електропровідна доріжка повністю покриває поверхню корпусу. 5. Електричний нагрівальний елемент за будь-яким із попередніх пунктів, який відрізняється тим, що корпус має загалом круглий поперечний переріз. 6. Електричний нагрівальний елемент за будь-яким із попередніх пунктів, який відрізняється тим, що додатково включає в себе пасивувальний шар на зовнішній поверхні згаданого корпусу. 7. Електронагрівна система утворення аерозолю для вміщення у ній аерозолетвірного субстрату, яка включає в себе один або більше нагрівальних елементів за будь-яким із попередніх пунктів і джерело напруги, яке з'єднане зі згаданими нагрівальними елементами на першій і другій контактних частинах. 8. Спосіб виготовлення електричного нагрівального елемента, який включає операції: утворення корпусу нагрівального елемента, причому згаданий корпус містить керамічний матеріал і виконаний з можливістю вміщування ним аерозолетвірного субстрату та має видовжену форму; 4 UA 112169 C2 5 10 15 20 25 30 уміщення корпусу нагрівального елемента у відновлювальне середовище при температурі, достатній для утворення на згаданому корпусі електропровідної доріжки, яка містить відновлену форму згаданого керамічного матеріалу, та утворює візерунок на поверхні корпусу, та спорядження першою і другою електричними контактними частинами для підключення згаданої електропровідної доріжки до джерела напруги, при цьому згадані перша і друга контактні частини розташовані на першому кінці згаданого корпусу, а електропровідна доріжка простягається до другого кінця згаданого корпусу і від згаданого другого кінця згаданого корпусу. 9. Спосіб за п. 8, який відрізняється тим, що операція уміщення корпусу нагрівального елемента у відновлювальне середовище включає уміщення корпусу у середовище водню. 10. Спосіб за п. 8 або п. 9, який відрізняється тим, що згадана достатня температура становить від 1000 °C до 1300 °C. 11. Спосіб за п. 8, п. 9 або п. 10, який відрізняється тим, що включає операцію утворення пасивувального шару на корпусі нагрівального елемента після операції уміщення корпусу нагрівального елемента у відновлювальне середовище. 12. Спосіб за будь-яким із пп. 8-11, який відрізняється тим, що операція утворення корпусу нагрівального елемента включає інжекційне формування. 13. Спосіб виготовлення електричного нагрівального елемента, який включає операції: утворення корпусу нагрівального елемента, причому згаданий корпус містить керамічний матеріал і виконаний з можливістю вміщування ним аерозолетвірного субстрату, та має видовжену форму; уміщення корпусу нагрівального елемента у відновлювальний електроліт та здійснення електрохімічного відновлення корпусу нагрівального елемента для утворення на згаданому корпусі електропровідної доріжки, яка містить відновлену форму згаданого керамічного матеріалу, та утворює візерунок на поверхні корпусу, та спорядження першою і другою електричними контактними частинами для підключення згаданої електропровідної доріжки до джерела напруги, при цьому згадані перша і друга контактні частини розташовані на першому кінці згаданого корпусу, а електропровідна доріжка простягається до другого кінця згаданого корпусу і від згаданого другого кінця згаданого корпусу. 5 UA 112169 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6