Die Temperatur muss stimmen

Heizelemente kommen in Baby-Inkubatoren, Pharmaziezuführungssystemen, chirurgischen Werkzeugen, Dialysegeräten und klinischen Chemieanalysen zum Einsatz. Die Wahl des Werkstoffs und die Konstruktion der Thermoelemente sind jedoch entscheidend für ihre Wirkung.

Für den Einsatz, beispielsweise in Inkubatoren, Pharmaziezuführungssystemen, chirurgischen Werkzeugen und Dialysegeräten, ist die Weiterentwicklung der Heizelemente entscheidend. Ausschlaggebend für die Entwickler ist die Wahl des richtigen Werkstoffs sowie die Konstruktion des Elementes, das Abhilfe bei der Einhaltung der spezifischen Bestimmungen, Größe und Gewichtsbegrenzungen schaffen soll und dabei zur Leistungsverbesserung beiträgt.

Der Heizelementenspezialist Watlow aus St. Louis, Missouri/USA, hat sich für Keramik entschieden. Der Werkstoff wird synthetisch, mit einem hohen Reinheitsgrad und mit anorganischen Materialien produziert, wie zum Beispiel Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumoxid (ZrO2), Siliziumnitrid (Si3N4) und Aluminiumnitrid (AlN).

Ein bekanntes Herstellungsverfahren beinhaltet das Zusammenführen von Materialien durch Hochdruck, gefolgt vom Erhitzen oder Sintern bei hohen Temperaturen. Durch die kontrollierte Reinheit und chemische Zusammensetzung entsteht eine monolithische, geometrisch stabile Struktur. Diese fördert die mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften, die beim Einsatz in Beschichtungsplatten unabdingbar sind.

Aluminiumnitrid zeichnet sich durch eine gute Isolation, geringen Leckstrom, geringen Ausdehnungskoeffizienten, hohe Lebensdauer, geringe Masse und hohe thermische Leitfähigkeit aus. Die sehr dichte Mikrostruktur verhindert unter anderem das Eindringen von Feuchtigkeit – eine wichtige Eigenschaft für medizinische Anwendungen. Wegen dieser thermischen, physikalischen und elektrischen Eigenschaften wird Aluminiumnitrid von Watlow bevorzugt. Hochleistungs-Keramik-Heizelemente, wie beispielsweise der Ultramic 600, können mit bis zu 155 W/cm2 hergestellt und, je nach Anwendung, Design und Prozessparameter, mit bis zu 600 °C betrieben werden. Eine besondere Thermoelementkonstruktion erhöht die Zuverlässigkeit des Sensor- und Heizerzusammenspiels und somit die Überwachungsfähigkeit der Temperatur bei Anwendungen mit hohen Rampenanstiegsraten.

Auch kundenspezifische Wünsche werden umgesetzt, da dieses Heizelement in komplexen Geometrien, wie Ring- oder Sichel-formen, produziert werden kann. Zusätzlich können Optionen, wie beispielsweise Flüssigkeitskanäle oder andere Oberflächenstrukturen, verwirklicht werden, um spezifische Konstruktionsanforderungen, die in aufwendigen medizinischen Anwendungen auftreten, gerecht zu werden. Für ihren Einsatz müssen die Heizelemente aus Keramik besondere Charakteristika aufweisen: Rampenanstiegsrate, Temperaturgleich- förmigkeit, geringer Leckstrom, kompakte Größe, Sauberkeit, Reinheit und chemische Kompatibilität.

Um den elektrischen Anforderungen von IEC 60601 gerecht zu werden, sind Systemkonstrukteure oftmals gezwungen, die normalerweise zur Verfügung stehende Arbeitsspannung von 230 V auf Kleinspannungen zu transformieren. Nur so können sie den geforderten, extrem niedrigen Leckstrom des Produktes gewährleisten, wie er bei Heizelementen, die sich im direkten Umfeld eines Patienten befinden, benötigt wird.

Bei Bedampfungs-, Dialyse- oder anderen Geräten, die mit dem Patienten verbunden sind, kann es bei dem Versuch, eine globale Plattform zu bauen, problematisch werden, da diese bei all den verschiedenen elektrischen Spannungen funktionieren muss. Sollte das thermische System einen Großteil des gesamten Leckstroms verursachen, kann ein aus gut isolierendem AlN hergestelltes Heizelement die Konstruktion, Kosten und Herausforderungen, welche das Einhalten der Anforderungen an Leckströme beinhaltet, stark vereinfachen.

Eine Unterhaltung über ein Heizelement mit 800 W ist nicht besonders spektakulär, bis man merkt, dass dieses in einer Größe von lediglich 1,6 cm² ausgeführt werden kann. Mit einer Leistung von 500 W/cm2 sind Heizelemente aus fortschrittlicher Keramik in der Lage, in weniger als 0,5 s auf 200 °C aufzuheizen. Dies ermöglicht unter anderem eine Verbesserung der Geräte durch kurze Zykluszeiten.

Während die Aufheizgeschwindigkeit eines Heizelementes auch für Anwendungen in der Chirurgie geeignet ist, werden schnelle thermische Zyklen eher in klinischen Labors, wie zum Beispiel für DNA-Vergrößerung (PCR) oder Techniken für schnellen Proteinabbau, benötigt.

Durch Sintern entsteht eine monolithische und stabile Struktur mit Porengrößen im Bereich von weniger als 0,7 µm. Durch Schleifen oder Polieren der Oberfläche können Unebenheiten auf bis zu 0,1 µm reduziert werden. Wenn die Produktvorteile der thermischen Schnelligkeit mit einer Endbearbeitung, welche die Oberfläche ähnlich glatt wie Glas werden lässt, kombiniert werden, hat die Keramik das Potenzial, sowohl in der Baugruppenfertigung von medizinischen Geräten als auch in der Verpackungsindustrie Verbesserungen zu ermöglichen.

Ray Derler Watlow, St. Louis, Missouri/USA