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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfereinheit für einen Inhalator, mit einem Zerstäuber zum Zerstäuben von aus einem Flüssigkeitsspeicher zugeführter Flüssigkeit und einem Heizelement. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Steuern einer Verdampfereinheit.
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Aktuelle auf dem Docht-Wendel-Prinzip aufbauende elektronische Zigaretten, wie beispielhaft in der
US 2016/0021930 A1 beschrieben, weisen verschiedene Nachteile auf. Erstens sind Liquidverdampfung und -dosierung nicht voneinander getrennt. Zweitens stehen Dampfmenge und Heizertemperatur in einem direkten Zusammenhang, d.h. hohe Dampfmengen bedingen hohe Verdampfertemperaturen. Drittens kommt es zu ungleichmäßigen Temperaturbereichen am/im Bereich des Verdampfers mit der Gefahr lokaler Liquid-Überhitzung und Schadstoffentstehung. Viertens weicht die im Verdampferbereich an der Docht-/Wendeloberfläche anliegende Temperatur von der Kerntemperatur im Docht ab, wodurch es zu Konzentrationsänderungen der Liquidbestandteile während eines jeden einzelnen Verdampfungsvorgangs bzw. Puffs oder Zugs kommt. Diese Konzentrationsänderung führt darüber hinaus zu einer allmählichen Veränderung der Zusammensetzung des noch im Flüssigkeitsspeicher befindlichen Liquids, d.h. auch die freigesetzte Wirkstoffmenge ist nicht gleichmäßig und ändert sich von Zug zu Zug.
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Die Erzeugung eines inhalierbaren Aerosols auf Basis sogenannter E-Liquids ist die Hauptfunktion von E-Zigaretten. Dabei wird das verabreichte E-Liquid verdampft und durch teilweise oder vollständige Rückkondensation bei der Vermischung mit dem mitgezogenen Luftstrom das Aerosol erzeugt. Die Tröpfchengröße hängt dabei von Faktoren ab, unter anderem Kondensationskeimen in der Luft und Abkühlgeschwindigkeit, die nicht oder nur wenig kontrollierbar sind und in der Anwendung zu einer gegenüber herkömmlichen Zigaretten verzögerten Nikotinaufnahme und somit reduziertem Genußempfinden führen können. Eine Möglichkeit, in dem Verdampfungsverfahren die Tröpfchengrößen und -zusammensetzungen beeinflussen zu können, wäre wünschenswert.
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Bei der Verdampfung von E-Liquids in herkömmlichen Docht-Wendel-Verdampfern von E-Zigaretten stellt sich im Docht eine mit Glycerin angereicherte Zusammensetzung ein, bei der die Gasphasenzusammensetzung der des nachströmenden Liquids entspricht. Dazu gehört eine entsprechende Siedetemperatur. Im Docht stellt sich eine mit Glycerin angereicherte Zusammensetzung nahe der Heizwendel ein, die entlang des Dochtes nicht konstant ist. Es lässt sich zeigen, dass in diesem Fall in Teilbereichen des Dochtes höhere Siedetemperaturen vorkommen müssen, als wenn das Liquid im Bereich der Dampfbildung eine konstante Zusammensetzung hat, d.h. wenn es gut durchmischt ist. Des Weiteren kann ein Zusammensetzungsgradient im Dochtquerschnitt zu einem schlecht zu kontrollierenden spontanen Verdampfen von Liquid in der Dochtmitte führen, was zur Freisetzung von großen Liquidtropfen führt. Im Sinne einer möglichst gleichmäßigen Verdampfung bei möglichst geringer Temperatur zur Vermeidung von thermischer Zersetzung des Liquids sollte dieser Zustand vermieden werden.
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Auch andere Verfahren zur Verdampfung, bei der die Wärme durch Heizflächen bzw. feste Wände in das Liquid eingebracht wird, verursachen Blasen- oder Filmsieden und damit lokal stark nicht-stationäre Verdampfungsvorgänge mit der Gefahr der spontanen Freisetzung von großen Liquidtropfen und lokaler Überhitzung, da sich Wärmezufuhr und Bildung der Gasphase entgegenstehen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine bekannte Verdampfereinheit in verschiedener Hinsicht zu verbessern, insbesondere die Verdampferleistung zu erhöhen, die Komplexität des Aufbaus zu verringern, einen geringeren Bauraum zu ermöglichen und/oder die Abdichtungsproblematik zu verringern, sowie eine einfache, zuverlässig und reproduzierbar arbeitende Verdampfereinheit für einen Inhalator bereitzustellen, welche die obigen Nachteile überwindet und in der Lage ist, eine Dampfmenge mit gewünschten Eigenschaften, wie Menge, Wirkstoffkonzentration und Zusammensetzung, bereitzustellen, sowie ein entsprechendes Steuerverfahren anzugeben.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Erfindungsgemäß ist das Heizelement zum Erwärmen von durch die Verdampfereinheit strömender Luft eingerichtet und angeordnet und der Zerstäuber ist stromabwärts von dem Heizelement angeordnet, so dass die von dem Zerstäuber zerstäubte Flüssigkeit in den von dem Heizelement erwärmten Luftstrom eingesprüht wird. Die durch Zerstäubung erzeugten Flüssigkeitstropfen werden somit durch direkten Kontakt mit dem heißen Luftstrom in kurzer Zeit und kontrolliert verdampft, was eine äußerst präzise zeitliche Steuerung der Verdampfung und Dosierung des Dampfes ermöglicht.
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Die Zuführung der Verdampfungswärme wird also erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass diese - im Gegensatz zu herkömmlichen Verdampfern in Inhalatoren - nicht durch direkten Kontakt mit einem Heizelement, sondern durch erwärmte Luft und Tröpfchenverdampfung erfolgt. Die Tröpfchenverdampfung zeichnet sich dadurch aus, dass ein im erwärmten Luftstrom eingebrachtes Liquidtröpfchen an seiner Oberfläche gleichzeitig die erforderliche Wärme aus der Luft aufnehmen und die verdampften Liquidmoleküle durch Dissoziation an die Umgebung abtransportieren kann. Die möglichen Wärmestromdichten an der Oberfläche sind zwar kleiner als beim Blasensieden, dies kann jedoch vorteilhaft durch eine entsprechend feine Zerstäubung über eine entsprechend größere Oberfläche kompensiert werden.
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Die Tröpfchen müssen nicht vollständig verdampft werden; es können kleinere Resttröpfchen, die entsprechend mit den höhersiedenden Liquidkomponenten (beispielsweise Glycerin) angereichert sind, verbleiben und einen Teil des Aerosols bilden. Eine Rückkondensation der leichter flüchtigen Komponenten (beispielsweise Wasser, Propylenglykol und/oder Nikotin) kann teilweise an den vorhandenen Tröpfchen oder an neuen Kondensationskeimen entstehen, wodurch die Bildung von mehrmodalen Größen- und Zusammensetzungsverteilungen möglich ist. Dies ist durch Prozessparameter (Strömungsführung, Zerstäubung, Heizleistung, ggf. Vorheizung des Liquids) beeinflussbar und eröffnet eine Optimierungsmöglichkeit hinsichtlich der physiologischen Wirkung des Aerosols.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind das Heizelement und der Zerstäuber in einem luftdurchströmten Hauptluftkanal angeordnet, wobei der Hauptluftkanal vorzugsweise durch den Innenraum eines beidseitig offenen Verdampferrohrs gebildet sein kann. Des Weiteren weist die Verdampfereinheit vorzugsweise einen Nebenluftkanal auf, in dem in die Verdampfereinheit eingesaugte Luft unter Umgehung des Heizelements und des Zerstäubers strömt. Vorteilhaft erstreckt sich also der Nebenluftkanal zumindest abschnittsweise parallel zu dem Hauptluftkanal. Die Aufteilung des in die Verdampfungseinheit eintretenden Luftstroms in Hauptluftstrom und Nebenluftstrom hat den Vorteil, dass nicht der vollständige eingezogene Luftstrom auf die für die Tröpfchenverdampfung erforderliche Temperatur aufgeheizt werden muss und somit sowohl Heizleistung gespart als auch eine zu hohe Austrittstemperatur vermieden wird. Stromabwärts von dem Zerstäuber ist vorzugsweise eine Rückvermischungszone vorgesehen, in der eine erneute Vermischung des erwärmten und ggf. vergleichmäßigten Hauptluftstroms mit dem Nebenluftstrom erfolgt.
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Es sind Ausführungsformen ohne Nebenluftkanal denkbar, wobei dann die gesamte durch die Verdampfereinheit strömende Luft durch den Hauptluftkanal strömt.
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Besonders vorteilhaft ist der Hauptluftkanal innerhalb des Nebenluftkanals angeordnet. Dies ist energetisch günstig, weil der Nebenluftkanal den Hauptkanal nach außen thermisch isoliert. Insbesondere können der Hauptluftkanal und der Nebenluftkanal konzentrisch zueinander angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist der Strömungsquerschnitt des Nebenluftkanals größer oder kleiner als der Strömungsquerschnitt des Hauptluftkanals, insbesondere am Eintritt und/oder Austritt des Nebenluftkanals. Der mit zerstäubter Flüssigkeit nach dem Zerstäuber angereicherte Luftstrom ist vorteilhaft mit gleichbleibender oder abnehmender Temperatur in der Verdampfereinheit geführt. Insbesondere kann so ein dem Zerstäuber in der Verdampfereinheit nachgeordnetes Heizelement, insbesondere in Form eines mit thermisch leitendem Kontakt behaftetes Heizelement, vermieden werden.
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Ein Vorsehen des Nebenluftkanals ermöglicht es zudem, die Außentemperatur der Verdampfungseinheit und eines damit ausgestatteten Inhalators niedrig zu halten und die „heiße Verdampfungszone“ innen zu konzentrieren, wodurch evtl. Verbrennungsgefahr beim Halten des Inhalators minimiert wird. Der Nebenluftkanal ermöglicht auf optimale Art und Weise, ein gewünschtes Tropfenspektrum einzustellen, Abwärme aus dem Hauptluftstrom zu nutzen und eine effiziente Mischzone mit optimalen Mischungsvoraussetzungen zu realisieren.
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Vorzugsweise ist ein Strömungsvergleichmäßigungselement zum Vergleichmäßigen des durch das Heizelement erwärmten Luftstroms vorgesehen, das vorteilhaft in dem Hauptluftkanal zwischen dem Heizelement und dem Zerstäuber angeordnet sein kann. Des Weiteren kann stromabwärts von dem Zerstäuber ein Filter zum Filtern mindestens der durch den Hauptluftkanal strömenden Luft vorgesehen sein. Der Filter ist vorteilhaft einem Abstand hinter dem Verdampferrohr angeordnet.
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Vorteilhaft ist in einem Datenspeicher eine dem verwendeten Flüssigkeitsgemisch angepasste Spannungskurve Uh(t) hinterlegt. Die Heizspannung Uh(t) ist dem verwendeten Flüssigkeitsgemisch angepasst vorgegeben und die Heiztemperatur des Heizelements kann gemäß der exakt bekannten Verdampfungskinetik des jeweiligen Flüssigkeitsgemischs zeitlich über den Verdampfungsvorgang gesteuert oder im Hinblick auf die Zieltropfengröße des Aerosols vorteilhaft eingestellt werden. Auf diese Weise lässt sich ein optimales Verdampfen der Flüssigkeit angepasst an deren Komponenten gewährleisten und ein Entstehen unerwünschter Zersetzungsprodukte zuverlässig vermeiden. Die Heiztemperatur kann zeitlich über den Verdampfungsvorgang hochfrequent gesteuert oder geregelt werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern einer zuvor beschriebenen Verdampfereinheit bereitgestellt. Vorteilhaft wird dabei die Heizspannung Uh(t) dem verwendeten Flüssigkeitsgemisch angepasst vorgegeben und somit die Heiztemperatur des Heizelements gemäß der Verdampfungskinetik des jeweiligen Flüssigkeitsgemischs zeitlich über den Verdampfungsvorgang gesteuert oder im Hinblick auf die Zieltropfengröße des Aerosols vorteilhaft eingestellt. Auf diese Weise lässt sich ein optimales Verdampfen der Flüssigkeit, angepasst an deren Komponenten gewährleisten und ein Entstehen unerwünschter Zersetzungsprodukte zuverlässig vermeiden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine Querschnittsansicht eines elektronischen Zigarettenprodukts in einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine Querschnittsansicht einer Kartusche für ein elektronisches Zigarettenprodukt; und
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verdampfereinheit.
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Das elektronische Zigarettenprodukt 10 umfasst ein im Wesentlichen stabförmiges oder zylindrisches Gehäuse 11. In dem Gehäuse 11 ist ein Luftkanal 30 zwischen mindestens einer Lufteinlassöffnung 31 und dem Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 vorgesehen. Das Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 bezeichnet dabei das Ende, an dem der Konsument zwecks Inhalation zieht und dadurch das Zigarettenprodukt 10 mit einem Unterdruck beaufschlagt und eine Luftströmung 34 in dem Luftkanal 30 erzeugt. Mindestens eine Lufteinlassöffnung 31 kann an der Mantelseite des Gehäuses 11 angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens eine Lufteinlassöffnung 31A am entfernten Ende 33 des Zigarettenprodukts 10 angeordnet sein. Das entfernte Ende 33 bezeichnet das dem Mundende 32 entgegengesetzte Ende des Zigarettenprodukts 10.
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Nach einer oder beiden Lufteinlässen 31, 31A kann im Strömungsweg der Luftströmung 34 vorteilhaft eine Lufterwärmungseinrichtung 37 zum Erwärmen bzw. Vorwärmen der eintretenden Luft angeordnet sein. Hierdurch kann die Aerosolbildung optimiert werden. Die Lufterwärmungseinrichtung 37 kann beispielsweise benachbart zu der Energieversorgungseinheit 14 angeordnet sein und/oder sich in Umfangsrichtung um die Mantelinnenseite des Gehäuses 11 erstrecken.
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Die durch die Einlassöffnung 31 angesaugte Luft wird in dem Luftkanal 30, ggf. über die Schnittstelle bzw. Trennfläche 57 zu einer Verdampfereinheit 20 geleitet. Die Verdampfereinheit 20 gibt Flüssigkeit 50 aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 als Zugabe 40 (siehe 3) in Form kleiner Flüssigkeitstropfen als Nebel/Aerosol und/ oder gasförmig als Dampf in den Luftstrom 34 zu. Ein vorteilhaftes Volumen des Flüssigkeitsspeichers 18 liegt im Bereich zwischen 0,1 ml und 5 ml, vorzugsweise zwischen 0,5 ml und 3 ml, weiter vorzugsweise zwischen 0,7 ml und 2 ml oder 1,5 ml.
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Die geometrischen Abmessungen und die Anordnung der Verdampfereinheit 20 in dem Inhalator 10 bzw. der Verbrauchseinheit 17 gemäß 1 und 2 ist schematisch und nicht maßstabsgetreu. Insbesondere kann die Verdampfereinheit 20 wesentlich länger sein als in den 1 und 2 gezeigt und sich beispielsweise über mindestens die halbe Länge des Inhalators 10 erstrecken.
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Das Zigarettenprodukt 10 umfasst, vorteilhaft am entfernten Ende 33 des Zigarettenprodukts 10, eine elektronische Energieversorgungseinheit 12 mit einem elektrischen Energiespeicher 14 und einer elektrischen/elektronischen Einheit 15. Der Energiespeicher 14 kann insbesondere eine elektrochemische Einweg-Batterie oder ein wiederaufladbarer elektrochemischer Akku, z.B. ein Li-Ionen-Akku, sein. Das Zigarettenprodukt 10 umfasst des Weiteren, vorteilhaft am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10, eine Verbrauchseinheit 17 mit einem Flüssigkeitsspeicher 18, einer elektrischen/elektronischen Einheit 19 und der Verdampfereinheit 20.
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Anstelle der getrennten elektrischen/elektronischen Einheiten 15, 19 kann auch eine einheitliche elektrische/elektronische Einheit vorgesehen sein, die entweder in der Energieversorgungseinheit 12 oder in der Verbrauchseinheit 17 angeordnet sein kann. Die Gesamtheit der elektrischen/elektronischen Einheit(en) des Zigarettenprodukts 10 wird im Folgenden als Steueranordnung 29 bezeichnet.
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In dem Gehäuse 11 ist vorteilhaft mindestens ein Sensor 7, beispielsweise ein Temperatursensor, angeordnet, dessen Funktion später erläutert wird. Zusätzlich oder alternativ kann ein Drucksensor oder ein Druck- oder Strömungsschalter vorgesehen sein, wobei die Steueranordnung 29 auf der Grundlage eines von dem Sensor ausgegebenen Sensorsignals einen Betriebszustand des Zigarettenprodukts 10, in dem ein Konsument am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 zieht, um zu inhalieren, feststellen kann. In diesem Betriebszustand steuert die Steueranordnung 29 die Verdampfereinheit 20 an, um Flüssigkeit 50 aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 als Zugabe 40 in Form kleiner Flüssigkeitstropfen als Nebel/Aerosol und/oder gasförmig als Dampf in den Luftstrom 34 zuzugeben.
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Die in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicherte, zu dosierende Flüssigkeit (d.h. das flüssige Komponentengemisch) ist beispielsweise eine Mischung aus 1,2-Propylenglykol, Glycerin und/oder Wasser, der ein oder mehrere Aromen (Flavour) und/oder Wirkstoffe, wie beispielsweise Nikotin, zugemischt sein können.
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Die Verbrauchseinheit 17 ist vorteilhaft als vom Konsumenten auswechselbare Kartusche 21, d.h. als Einwegteil ausgeführt. Der insbesondere den Energiespeicher 14 enthaltende Rest des Zigarettenprodukts 10 ist vorteilhaft als vom Konsumenten wiederverwendbares Grundteil 56, d.h. als Mehrwegteil ausgeführt. Die Kartusche 21 ist vom Konsumenten mit dem Grundteil 56 verbindbar und vom Grundteil 56 lösbar ausgebildet. Zwischen der Kartusche 21 und dem wiederverwendbaren Grundteil 56 ist somit eine Trennfläche bzw. Schnittstelle 57 gebildet. Das Kartuschengehäuse 58 kann einen Teil des Gehäuses 11 des Zigarettenprodukts 10 bilden.
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In anderen Ausführungsformen, siehe 2, ist die Verbrauchseinheit 17 als Kartusche 21 ausgeführt, die in den wiederverwendbaren Grundteil 56 des Zigarettenprodukts 10 durch den Konsumenten einsetzbar und aus diesem entnehmbar ist. Das Kartuschengehäuse 58 ist in diesem Fall ein von dem Gehäuse 11 des Zigarettenprodukts 10 separates Gehäuse.
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Die Kartusche 21 umfasst mindestens den Flüssigkeitsspeicher 18. Die Kartusche 21 kann, wie in 2 gezeigt, die elektrische/elektronische Einheit 19 umfassen. In anderen Ausführungsformen ist die elektrische/elektronische Einheit 19 ganz oder teilweise fester Bestandteil des Grundteils 56. Ebenso kann die Verdampfereinheit 20 Teil der Kartusche 21 oder in dem Grundteil 56 angeordnet sein. Die Kartusche 21 kann daher in manchen Ausführungsformen im Wesentlichen nur aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 und ggf. dem Kartuschengehäuse 58 bestehen. Das Kartuschengehäuse 58 kann alternativ von dem Gehäuse des Flüssigkeitsspeichers 18 gebildet sein, so dass ein separates Kartuschengehäuse 58 entbehrlich sein kann.
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Die Kartusche 21 kann neben der Verwendung in stabförmigen Zigarettenprodukten 10 auch in anderen Inhalatoren eingesetzt werden, beispielsweise in elektronischen Pfeifen, Shishas, anderen Heat-not-burn-Produkten, oder einem medizinischen Inhalator. Der Energiespeicher 14 ist in der Regel nicht Teil der Kartusche 21, sondern Teil des wiederverwendbaren Grundteils 56.
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Die Verbrauchseinheit 17 bzw. die Kartusche 21 umfasst vorteilhaft einen nichtflüchtigen Informationsspeicher 53 (siehe 1) zum Speichern von die Verbrauchseinheit 17 bzw. die Kartusche 21 betreffender Information bzw. Parametern, beispielsweise in Ausführung als EEPROM, RFID oder anderer geeigneter Form. Der Informationsspeicher 53 kann Teil der elektrischen/elektronischen Einheit 19 oder separat davon ausgebildet sein. In dem Informationsspeicher 53 gespeichert ist vorteilhaft Information zum Inhaltsstoff, d.h. zur Zusammensetzung der in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicherten Flüssigkeit; Information zum Prozessprofil, insbesondere Leistungs-/Temperatursteuerung; Daten zur Zustandsüberwachung bzw. Systemprüfung, beispielsweise Dichtigkeitsprüfung; Daten betreffend Kopierschutz und Fälschungssicherheit, insbesondere umfassend eine ID zur eindeutigen Kennzeichnung der Verbrauchseinheit 17 bzw. Kartusche 21; Seriennummer, Herstelldatum und/oder Ablaufdatum; und/oder Zugzahl (Anzahl der Inhalationszüge durch den Konsumenten) bzw. der Nutzungszeit. Der Datenspeicher 53 ist vorteilhaft über Kontakte und/oder Leitungen mit der Steuereinrichtung 15 des Grundteils 56 verbunden oder verbindbar.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfereinheit 20 ist in 3 gezeigt.
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Die Verdampfereinheit 20 kann ein eigenes Gehäuse 1 aufweisen, das Gehäuse 1 kann jedoch alternativ ganz oder teilweise von dem Gehäuse 11 des Zigarettenprodukts gebildet werden. Die Verdampfereinheit weist mindestens eine Lufteingangsöffnung 9 für den Zustrom F1 der durch die Verdampfereinheit 20 durchzusetzenden Luft und mindestens eine Luftausgangsöffnung 6 auf, wobei die Luftströmung 34, die in 3 mit F1 bis F4 bezeichnet wird, von der Lufteingangsöffnung 9 zu der Luftausgangsöffnung 6 durch die Verdampfereinheit 20 strömt.
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Innerhalb der Verdampfereinheit 20 ist der Luftkanal 30 in zwei parallel angeordnete Kanäle aufgeteilt, und zwar in einen Hauptluft- oder Heizkanal 3, in dem ein Heizelement 36 angeordnet ist, und einen Nebenluft- oder Bypasskanal 5, in dem ein Nebenluftstrom F3 unter Umgehung der Heizelements 36 strömen kann. Demnach wird die in die Verdampfereinheit eintretende, ggf. vorgewärmte Luftströmung F1 in einen Hauptluftstrom F2a und einen Nebenluftstrom F3 aufgeteilt. Anders gesagt wird ein Teil des Luftstroms F1 als Nebenstrom F3 um den Verdampfer 23 herumgeführt, ein anderer Teil des Luftstroms F1 wird als Hauptluftstrom F2 durch den Verdampfer 23 hindurch geführt und vom Nebenstrom durch das Verdampferrohr 2 getrennt.
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Der Nebenluftkanal 5 weist einen Eintritt 60 und einen Austritt 61 auf. Der Eintritt 60 ist vor dem Heizelement 36 und/oder vor dem Zerstäuber 22 angeordnet. Der Austritt 61 ist nach dem Heizelement 36 und/oder nach dem Zerstäuber 22 angeordnet. Vorzugsweise steht der Hauptluftkanal 3 mit einer Hauptluftzutrittsöffnung 62 in Verbindung, welche dem Heizelement 36 vorgeordnet ist. Der Nebenluftkanal 5 steht vorteilhaft mit der Nebenluftzutrittsöffnung 60 in Verbindung, welche der Hauptluftzutrittsöffnung 62 vorgeordnet oder nachgeordnet ist. Die Nebenluftzutrittsöffnung 62 ist dem Zerstäuber 22 vorgeordnet oder nachgeordnet.
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Die Aufteilung des in die Verdampfungseinheit 20 eintretenden Luftstroms F1 in Hauptluftstrom F2 und Nebenluftstrom F3 hat den Vorteil, dass nicht der vollständige eingezogene Luftstrom F1 auf die für die Tröpfchenverdampfung erforderliche Temperatur aufgeheizt werden muss und somit sowohl Heizleistung gespart als auch eine zu hohe Austrittstemperatur vermieden wird.
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Der Hauptkanal 3 ist vorteilhaft radial innen und der der Nebenluftkanal 5 radial außen in der Verdampfereinheit 20 angeordnet, so dass der Nebenluftkanal 5 den Hauptkanal 3 vorteilhaft umfangsseitig umschließt. Dies ist energetisch günstig, weil der Nebenluftkanal 5 den Hauptkanal 3 nach außen thermisch isoliert. Der Hauptkanal 5 wird vorteilhaft durch den Innenraum eines Verdampferrohrs 2 gebildet. Der Nebenluftkanal 5 ist vorteilhaft ein Ringkanal, der insbesondere zwischen dem Strömungsrohr 2 und dem Gehäuse 1 gebildet ist. Vorzugsweise sind Nebenluftkanal 5 und der Hauptkanal 3 konzentrisch zueinander angeordnet. Das Gehäuse 1 kann die äußere Strömungsführung für den Nebenluftkanal 5 übernehmen.
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Bei Feststellung eines durch Ziehen des Konsumenten verursachten Luftstroms 34 durch den Luftkanal 30 steuert die Steuereinrichtung 29 das Heizelement 36 und die Durchflusssteuereinrichtung 8 an, um den Verdampfer 23 in Betrieb zu setzen. Dies wird im Folgenden genauer beschrieben.
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Der Hauptluftstrom F2a durchströmt zuerst das elektrische Heizelement 36, das die Luft auf eine geeignete Verdampfungstemperatur erwärmt. Das Heizelement 36 wird durch die elektronische Steuereinrichtung 19, die vorzugsweise eine Leistungselektronik umfasst, gesteuert oder geregelt, beispielsweise durch Pulsweitenmodulierung. Eine von der Heizspannungsquelle 14 erzeugte elektrische Spannung Uh wird an das Heizelement 36 angelegt und führt zu einem Stromfluss durch das Heizelement 36. Dieser führt aufgrund des Ohmschen Widerstands des Heizelements 36 zu einer Erhitzung des Heizelements und daher zu einer Erwärmung der an dem Heizelement 36 vorbeiströmenden Luft F2a. Das Heizelement 36 umfasst vorzugsweise mindestens eine Heizwendel 26, hier eine Mehrzahl von beispielsweise vier in Serie miteinander verschalteten Heizwendeln 26. Auch eine Gitterstruktur ist denkbar.
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Die Temperatur der erwärmten Luftströmung F2b kann beispielsweise etwa der Siedetemperatur des Liquids entsprechen, das diese nach der Verdampfung einer vorgegebenen Teilmenge aufweist, oder davon um -10 K bis +40 K bzw. um +-10 K abweichen. Damit ist sichergestellt, dass eine zügige Verdampfung der Tröpfchen bis zu diesem Zustand erfolgen kann und die Verdampfung nicht zu langsam erfolgt. Gleichzeitig soll die Luft F2b vorteilhaft nicht stärker erwärmt werden, als die Vermeidung thermischer Zersetzung der Komponenten zulässt.
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Der erwärmte Luftstrom kann optional durch ein Strömungsvergleichmäßigungselement 4, beispielsweise in Form eines Gitters oder von Drallelementen, bezüglich seines Strömungs- und Temperaturprofils homogenisiert werden. Das Strömungsvergleichmäßigungselement 4 ist vorzugsweise in dem Hauptluftkanal 3 und weiter vorzugsweise zwischen dem Heizelement 36 und dem Zerstäuber 22 angeordnet.
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In dem Hauptkanal 3 ist stromabwärts von dem Heizelement 36 ein Zerstäuber 22 zum Zerstäuben von aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 zugeführter Flüssigkeit und Beimischung zu dem durch das Heizelement 36 erhitzten Hauptluftstrom F2b. Der Zerstäuber 22 weist zu diesem Zweck vorzugsweise mindestens eine und vorteilhaft eine Mehrzahl von Düsen auf, die beispielsweise in Form eines Düsenarrays angeordnet sein können. In den erwärmten und ggf. vergleichmäßigten Luftstrom F2b wird demnach durch den Zerstäuber 5 über mindestens eine Düse oder ein Düssenarray das Liquid in Form von Tröpfchen eingesprüht und verteilt. Die Anordnung und Ausrichtung der Düsen kann längs mit dem Luftstrom F2b oder quer dazu erfolgen, sofern die Tröpfchengröße klein genug ist, um ein schnelles Mitreißen im Luftstrom F2b zu gewährleisten.
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Nach dem Austritt aus dem Zerstäuber 22 wird die zerstäubte Flüssigkeit 40, d.h. die Flüssigkeitströpfchen, durch den Kontakt mit dem heißen Luftstrom F2b im Wesentlichen instantan in der Verdampfungszone 13 verdampft. Auf diese Weise ist in der Verdampfereinheit 20 bzw. in dem Verdampferrohr 2 oder Hauptkanal 3 ein Verdampfer 23 gebildet. In der nach der Düseneinheit 22 liegenden Zone 13 findet der Hauptteil der Tröpfchenverdampfung statt, an deren Ende die vollständige oder teilweise Verdampfung der Tröpfchen stattgefunden hat, unter Bildung des Luft/Aerosolstroms F2c.
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Die Vermischung des dampfhaltigen Hauptluftstroms F2c mit dem Nebenluftstrom F3 erfolgt in der Rückvermischungszone 25. Vorteilhaft wird dabei der angereicherte Kernstrom von den kühlen Wänden im Austritt ferngehalten und Wandkondensation vermieden. Die vereinte dampfhaltige Luftströmung F4 verlässt die Verdampfereinheit 20 schließlich durch die Ausgangsöffnung 6.
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Die Düsen des Zerstäubers 22 können durch eine gesonderte Durchflusssteuereinrichtung 8, z.B. eine Mikropumpe oder ein Ventil, mit dem erforderlichen Liquidvolumenstrom aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 beaufschlagt werden. Die Förderfunktion kann alternativ in den Düsen integriert sein, z.B. durch Piezoelementgetriebene Düsen, analog zu Inkjet-Druckköpfen. Bei Einsatz einer Ventilstruktur mit einem oder mehreren Ventilen kann das Liquidreservoir vorteilhaft Druckbeaufschlagt sein.
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Der Flüssigkeitsspeicher 18, die ggf. vorhandene separate Durchflusssteuereinrichtung 8 sowie die Steuereinrichtung 19 und die Stromversorgung 14 können in unterschiedlichen räumlichen Konfigurationen realisiert werden. Des Weiteren ist eine zusätzliche geregelte elektrische Vorwärmung des zu zerstäubenden Liquids realisierbar, wodurch ein Teil der zur Verdampfung erforderlichen Wärme eingebracht werden kann und/ oder die Liquideigenschaften (Oberflächenspannung / Viskosität) beeinflusst werden können, was für den Tröpfchenbildungsprozess relevant ist. Diese Vorwärmung kann in den Düsen des Zerstäubers 22, in der Zuleitung oder in der Durchflusssteuereinrichtung 8 integriert sein.
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Die Regelung der Temperatur des Hauptluftstroms F2b kann über die Messgröße des elektrischen Widerstands des Heizelementes erfolgen, sofern dieser temperaturabhängig ist, oder direkt mit Hilfe eines optionalen Temperatursensors 7 im homogenisierten Hauptluftstrom F2b.
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Vorzugsweise ist in dem Datenspeicher 53 der Kartusche 21 oder in einem Datenspeicher 59 des Grundteils 56 eine dem verwendeten Flüssigkeitsgemisch angepasste Spannungskurve Uh(t) hinterlegt. Dies ermöglicht es, den Spannungsverlauf Uh(t) dem verwendeten Liquid angepasst vorzugeben, so dass die Heiztemperatur des Heizelements 36 gemäß der exakt bekannten Verdampfungskinetik des jeweiligen Liquids zeitlich über den Verdampfungsvorgang steuerbar ist, wodurch optimale Verdampfungsergebnisse erzielbar sind. Die Verdampfungstemperatur liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 100 °C und 400 °C, weiter bevorzugt zwischen 150 °C und 350 °C, noch weiter bevorzugt zwischen 190 °C und 290 °C.
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Die Verdampfungseinheit 20 ist so eingestellt, dass eine vorteilhafte Flüssigkeitsmenge im Bereich zwischen 1 µl und 20 µl, weiter vorzugsweise zwischen 2 µl und 10 µl, noch weiter vorzugsweise zwischen 3 µl und 5 µl, typischerweise 4 µl pro Zug des Konsumenten, zudosiert wird. Vorzugsweise kann die Verdampfungseinheit 20 hinsichtlich der Flüssigkeitsmenge pro Zug einstellbar sein.
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Der Zerstäuber 22 kann vorteilhaft so eingestellt sein, dass im Aerosol 40 überwiegend Flüssigkeitstropfen mit einem Durchmesser im Bereich zwischen 0,05 µm und 5 µm, bevorzugt zwischen 0,1 µm und 3 µm entstehen. Tröpfchengrößen im Bereich zwischen 0,05 und 5 MMAD (mass median aerodynamic diameter, massen-medianer aerodynamischer Durchmesser), vorzugsweise zwischen 0,1 und 3 MMAD, weiter vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 MMAD, noch weiter vorzugsweise zwischen 0,7 und 1,5 MMAD, beispielsweise um ca. 1 MMAD können optimal sein. MMAD entspricht einer EU-Norm und wird in µm spezifiziert.
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Das Heizelement 36, die Durchflusssteuereinrichtung 8 und/oder der Zerstäuber 22 werden vorteilhaft mit einer geeigneten Ansteuerfrequenz typischerweise im Hz- oder kHz-Bereich und beispielsweise zwischen 1 Hz und 50 kHz, bevorzugt zwischen 30 Hz und 30 kHz, besonders bevorzugt zwischen 100 Hz und 25 kHz elektrisch angesteuert. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Ansteuerfrequenz im Bereich zwischen 5 Hz und 50 Hz, bevorzugt zwischen 10 Hz und 40 Hz liegen.
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In einer weiteren Ausführungsform können Heizelement 36, Durchflusssteuereinrichtung 8 und/oder Zerstäuber 22 kontinuierlich angesteuert und/oder geregelt werden, insbesondere über Teilabschnitte eines Zugs, Puffs und/oder eine Serie aufeinanderfolgender Züge bzw. Puffs.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2016/0021930 A1 [0002]
