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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfereinheit für einen Inhalator, umfassend einen Verdampfungskörper mit einem sich von einer Eintrittsöffnung zu einer Austrittsöffnung durch den Verdampfungskörper erstreckenden Kanal, und ein elektrisches Heizelement zum Verdampfen von durch den Kanal geförderter Flüssigkeit.
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Herkömmliche E-Zigaretten bestehen aus einem Docht, beispielsweise aus Glasfaser oder Baumwolle, und einem um den Docht gewickelten Heizdraht oder einem auf dem Docht aufliegenden bzw. den Docht umfassenden Heizgitter. Das Liquid wird in den Docht gesaugt und dort durch Anlegen einer Spannung an den Heizdraht oder das Heizgitter verdampft. Diese Methode hat schwerwiegende Nachteile. Erstens variiert die Anordnung von Docht und Heizer fertigungsbedingt sehr. Dies führt dazu, dass je nach Produktionsexemplar eine unterschiedlich Menge Liquid und damit auch Nikotin pro Zug verdampft wird. Zweitens treten sogenannte Hot-Spots am Heizer auf. Bereiche des Heizers, an denen kein Liquid zur Verfügung steht, Schwachstellen im Heizdraht oder Strukturfehler im Heizgitter, oder besonders eng gewickelte Bereiche der Heizdrähte heizen sich stärker auf als die anderen Bereiche des Heizers. In diesen Bereichen steigt der spezifische Widerstand, was die Heizleistung weiter erhöht, sodass insgesamt eine deutlich überhitzte Stelle entsteht. Als Folge können schädliche Zersetzungsprodukte und der sogenannte „Dry Puff“ auftreten. Drittens reichert sich durch die Verdampfung der niedrigsiedenden Liquidbestandteile das Liquid in direkter Nähe zum Heizer mit hochsiedenden Komponenten an. Dies kann im Extremfall dazu führen, dass das Liquid nur abseits dieser Schicht siedet und nichtverdampftes hochsiedendes Liquid aus der heizernahen Schicht mitreißt. Dies führt zu einem ungewollten, explosionsartigen Spritzen des Liquids.
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Aus
US2016/0007653 A ist eine Verdampferstruktur in MEMS-Technologie bekannt. Hier befindet sich der Heizer auf einer geschlossenen Membran, sodass der Austrittsort des Dampfes und der Ort der Erhitzung getrennt sind. Daher kann auch hier das oben beschriebene explosionsartige Spritzen des Liquids auftreten. Zudem werden hier ein Heizer und ein Temperatursensor an separaten Stellen auf dieser Membran angebracht, sodass die lokale Heizertemperatur direkt nicht gemessen werden kann. Hinsichtlich der Betriebsart werden keine Angaben gemacht, sodass von einem kontinuierlichen, nicht-gepulsten Betrieb ausgegangen werden muss. Daher besteht die Gefahr einer vollständigen Verdampfung am Heizer mit einem nachfolgenden starken Temperaturanstieg. Als Vorteile der Anmeldung werden die günstige Herstellung und Montage, sowie die Kopplung mit Temperatursensoren und Strömungssensoren angegeben. Die oben beschriebenen Nachteile der herkömmlichen E-Zigarette können damit jedoch nicht eindeutig behoben werden.
Aus Wo 2013/045582 ist eine permeable elektrische Heizwiderstandsfolie bekannt. Die Zwischenräume eines Heizwiderstands sind offen oder durchlässig für strömende Fluide.
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Das Heizelement herkömmlicher E-Zigaretten besteht beispielsweise aus einem Chrom-Nickel-Draht, Edelstahl, oder anderen metallischen Legierungen. Diese Legierungen haben den Nachteil, dass ihr spezifischer Widerstand mit der Temperatur ansteigt, sodass schlecht gekühlte Bereiche einen erhöhten Widerstand aufweisen und somit einer erhöhten Heizleistung bedürfen. Dieser selbstverstärkende Prozess führt zu stark inhomogenen Temperaturverteilungen, welche wiederum eine erhöhte und unkontrollierte Schadstofffreisetzung verursachen. Zudem kann die katalytische Wirkung der Metalle zu einer erhöhten Erzeugung von Schadstoffen führen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache, zuverlässige und reproduzierbar arbeitende Verdampfereinheit bereitzustellen, welche die obigen Nachteile, insbesondere die Gefahr lokaler Überhitzung oder Blasensiedung, überwindet.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Erfindungsgemäß ist das Heizelement im Bereich der Austrittsöffnung des Liquid-Kanals in dem Verdampfungskörper angeordnet, und begrenzt vorteilhaft die Austrittsöffnung. Die Erhitzung des Liquids durch das Heizelement erfolgt erfindungsgemäß direkt an der Liquidoberfläche, d.h. an der Trennfläche zwischen Flüssigkeit und Luft. Eine Erhitzung von tiefer liegenden Flüssigkeitsschichten und somit ein explosionsartiger Ausbruch von Liquid, insbesondere durch Blasensiedung, kann somit erfindungsgemäß nicht auftreten.
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Vorzugsweise ist eine Einrichtung zur Messung des elektrischen Widerstands des Heizelements vorgesehen. Der Widerstand hängt bei geeigneter Wahl des Materials des Heizelements im Arbeitsbereich eindeutig mit der Temperatur des Heizelements zusammen. Die Widerstandsmessung erlaubt daher eine vorteilhafte Regelung der Temperatur des Heizelements in Abhängigkeit von dem elektrischen Widerstand des Heizelements. Ein separater Temperatursensor ist dann entbehrlich. Auch mögliche Fehlfunktionen der Verdampfereinheit, beispielsweise Überhitzung des Heizelements aufgrund fehlender Liquidkühlung oder ein defektes Heizelement, können über die Bestimmung des Heizwiderstands detektiert werden.
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Nach einem besonders vorteilhaften Aspekt kann das Heizelement aus einem Material mit einem - mindestens in einem Arbeitsbereich, beispielsweise zwischen 100 °C und 240 °C - negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) bestehen, d.h. der elektrische Widerstand des Heizelements nimmt mit steigender Temperatur ab. Der entsprechende Anspruch kann ggf. in einer nur auf den Oberbegriff des Anspruchs 1 rückbezogenen Form schützbar sein. Durch die Verwendung eines Materials mit negativem Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands im Bereich der Solltemperatur bzw. im Arbeitsbereich der Verdampfereinheit kann die Ausbildung von Hot-Spots bzw. Überhitzungen unterdrückt und eine homogenere Temperaturverteilung erreicht werden. Ein Heizelement mit einem negativen Temperaturkoeffizienten kann mikromechanisch einfach auf einem Halbleitersubstrat hergestellt werden. Schlecht gekühlte Bereiche zeigen aufgrund dieses Merkmals einen niedrigeren Widerstand und somit eine verringerte Heizleitung. Der niedrigeren Kühlung wird somit entgegengewirkt.
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Dies kann anhand eines vereinfachten Beispiels demonstriert werden. Der Heizer besteht modellhaft aus n in Serie geschalteten Abschnitten mit den nominell gleichen Widerständen R0 bei der Solltemperatur T0. Ein Bereich, willkürlich der Bereich 1, erfährt aufgrund eines reduzierten Wärmeabtransports eine Temperaturerhöhung um DT. Der Widerstand dieses Bereichs wird somit zu R1 = R0(1+a*DT), wobei a den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands bezeichnet.
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In Ausführungsformen, in der die elektrische Einheit Spannungsspeisung mit der Spannung U0 durchführt, fällt nun über diesen Widerstand die Spannung U1=U0*R1/(R1+(n-1)*R0) ab, während über die übrigen Widerstände jeweils die Spannung U2 = U0*R0/(R1+(n-1)*R0) abfällt. Der Strom durch die Widerstände ergibt sich zu I1= U0/(R1+(n-1)*R0). Dementsprechend ergibt sich eine Heizleistung für den ersten Abschnitt von P1 = U1*I1 = U0^2*R1/(R1+(n-1)* R0)^2 und für die übrigen Abschnitte von P2 = U2*I1 = U0^2* R0/(R1 +(n-1)*R0)^2. Eine Linearisierung dieser Formel ist für geringe Temperaturen zulässig und führt zu P1 = U0^2/(n^2R0) *(1+a*DT) und P2=U0^2/(n^2R0)*(1-2a/n*DT). Die nominale Heizleistung beträgt P0=U0^2/(n^2R0). Bei Verwendung eines Materials mit negativem Temperaturkoeffizienten a<0 wird somit die Heizleistung im Bereich 1 reduziert, und in den übrigen Bereichen geringfügig erhöht. Insgesamt wird die Temperatur somit homogenisiert.
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In anderen Ausführungsformen, in der die elektrische Einheit Stromspeisung mit dem Strom I0 durchführt, ergibt sich ein ähnliches Bild. Nun fällt über dem Bereich 1 die Spannung U1=I0*R1 und in den übrigen Bereichen jeweils U2=I0*R0 ab. Die lokale Heizleistung beträgt somit P1=10^2*R0*(1+a*DT) und P2=I0^2*R0. Hier führt die Verwendung eines Materials mit negativem Temperaturkoeffizienten a<O somit ebenfalls zu einer Reduktion der Heizleistung im Bereich 1, und zu einer unveränderten Heizleistung in den übrigen Bereichen, was ebenfalls eine Homogenisierung der Temperaturverteilung bedeutet. Je nach Regelkonzept können somit sowohl Spannungsspeisung als auch Stromspeisung vorteilhaft eingesetzt werden.
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Als Materialien mit negativem Temperaturkoeffizient des Widerstands für das Heizelement eignen sich vorzugsweise polykristalline Halbleitermaterialien, beispielsweise Polysilizium oder Polysiliziumkarbid. Unter bestimmten Umständen kann auch einkristallines Halbleitermaterial mit einer genügend hohen Aktivierungsenergie der Dotierungsniveaus einen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweisen.
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Das Heizelement kann vorteilhaft aus einem dotierten Halbleiter bestehen. Diese zeigen eine Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit, die proportional ist zu T^(-3/2)*exp(-Ea/2kT), wobei Ea das Akzeptorniveau bezeichnet und k die Boltzmann-Konstante ist. Indium bildet in Silizium ein Akzeptorniveau von Ea = 160 meV, Thallium ein Akzeptorniveau von Ea = 246 meV. Indium- oder Thallium-dotiertes Silizium, als bevorzugte Materialien des Heizelements, haben somit einen negativen Temperaturkoeffizienten im Arbeitsbereich der Verdampfereinheit bis 300 °C und darüber hinaus. Ebenfalls günstige Materialien sind Aluminium-dotiertes Siliziumcarbid (SiC) mit Ea = 190 meV oder Bor-dotiertes Silizium-Carbid mit Ea = 285 meV.
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NTC-Materialien haben im Allgemeinen einen höheren Temperaturkoeffizienten im Vergleich zu Metallen, daher ist eine deutlich genauere Bestimmung der Temperatur über die Messung des Widerstands des Heizelements möglich. Zudem zeigen die hier vorteilhaft genannten NTC-Materialien keine unerwünschte katalytische Wirkung wie metallische Katalysatoren.
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Vorzugsweise ist der Verdampfungskörper so ausgebildet, dass Flüssigkeit aufgrund von Kapillarkräften in dem Kanal nachförderbar ist. In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum zyklischen Betrieb einer Verdampfereinheit wird ausgehend von einem stabilen Gleichgewichtszustand zunächst Flüssigkeit verdampft. In einer nachfolgenden Nachfüllphase strömt Flüssigkeit mittels Kapillarkräften nach, um die verdampfte Flüssigkeit zu ersetzen, bis der Ausgangszustand wieder erreicht ist. Die Steuerung des zeitlichen Verlaufs der Heizspannung kann an diesen zyklischen Betrieb angepasst sein. Beispielsweise kann die Heizspannung so gepulst sein, dass in der Nachfüllphase keine Heizspannung an dem Heizelement anliegt, um eine Überhitzung des Heizelements in der Nachfüllphase zu vermeiden.
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Im Hinblick auf das Ziel einer möglichst homogenen Temperaturverteilung ist das Heizelement vorteilhaft so gestaltet, dass in Bereichen mit höherem Wärmeabtransport zur Kompensation eine höhere Wärmeleistung eingebracht wird. Dies kann beispielsweise mittels gezielt in das Heizelement eingebrachter Verjüngungen und/oder Verbreiterungen realisiert werden.
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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 schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verdampfereinheit für ein elektronisches Zigarettenprodukt;
- 3A-3D eine erfindungsgemäße Verdampfereinheit in unterschiedlichen Zuständen des Verdampfungsprozesses;
- 4 bis 8 unterschiedliche Ausführungsformen eines Heizelements in einer Draufsicht von oben auf die Austrittsöffnung des Verdampfungskörpers;
- 9 eine schematische Querschnittsansicht einer Mikrofibrille für eine bionische Struktur; und
- 10 eine aus Mikrofibrillen gemäß 9 aufgebaute bionische Heizstruktur.
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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 stirnseitige 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 stirnseitigen Ende 33 des Zigarettenprodukts 10 angeordnet sein. Das entfernte Ende 33 des Zigarettenprodukts 10 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 eine Schnittstelle bzw. Trennfläche 57, zu einer Verdampfereinheit 20 geleitet. Die Verdampfereinheit 20 gibt 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 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. Der Flüssigkeitsspeicher 18 ist vorteilhaft ein flexibler Beutel mit geschlossener Oberfläche, um Leckagen entgegenzuwirken.
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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-lonen-Akku, sein. Das Zigarettenprodukt 10 umfasst des Weiteren, vorteilhaft am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10, eine Verbrauchseinheit 17 mit einem Flüssigkeitsspeicher 18, einer elektrischen 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 Einheiten des Zigarettenprodukts 10 wird im Folgenden als Steueranordnung 29 bezeichnet. Die Steueranordnung 29 umfasst insbesondere die gesamte elektrische bzw. elektronische Ansteuerung des Zigarettenprodukts 10.
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In dem Gehäuse 11 ist vorteilhaft ein Sensor, beispielsweise ein Drucksensor oder ein Druck- oder Strömungsschalter, angeordnet, wobei die Steueranordnung 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. In anderen Ausführungsformen 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 bestehen und ggf. dem Kartuschengehäuse 58, wobei das Kartuschengehäuse 58 alternativ von dem Gehäuse des Flüssigkeitsspeichers 18 gebildet sein kann, 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 einer elektronischen Pfeife, Shisha, anderen Heatnot-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, ID-Chip oder anderer geeigneter Form. Der Informationsspeicher 53 kann Teil der elektrischen/elektronischen Einheit 19, die beispielsweise eine ASIC sein kann, 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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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 65 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 Verdampfereinheit 20 ist so eingestellt, dass eine vorteilhafte Flüssigkeitsmenge im Bereich zwischen 1 µl und 20 µI 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 Verdampfereinheit 20 hinsichtlich der Flüssigkeitsmenge pro Zug einstellbar sein.
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Das Heizelement 65 wird 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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Der grundlegende Aufbau einer erfindungsgemäßen Verdampfereinheit 20 ist im Querschnitt in der 2 gezeigt. Die Verdampfereinheit 20 umfasst einen Verdampfungskörper 60 aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Silizium, dotierte Keramik, MetallKeramik, Filter-Keramik, Halbleiter, insbesondere Germanium, Graphit, Halbmetall und/oder Metall. Der Verdampfungskörper 60 kann auch als Verdampferchip bezeichnet werden. Der Verdampfungskörper 60 ist mit mindestens einem Kanal 62 versehen, der eine Eintrittsseite 61 oder Eintrittsoberfläche des Substrats 63 mit einer Austrittsseite 64 oder Austrittsoberfläche flüssigkeitsleitend verbindet. Der Kanal 62 bildet an der Austrittsseite 64 eine Austrittsöffnung 68 in dem Verdampfungskörper 60. Es kann auch eine Mehrzahl parallel zueinander angeordneter Kanäle 62 vorgesehen sein, siehe beispielsweise 8. Die Eintrittsseite 61 ist flüssigkeitsleitend mit dem Flüssigkeitsspeicher 18 verbunden. Die Verdampfereinheit 20 weist zu diesem Zweck vorteilhaft eine Flüssigkeits-Zulauföffnung 66 auf. Des Weiteren weist die Verdampfereinheit 20 vorzugsweise ein Verdampfergehäuse 67 aus einem geeigneten Material, beispielsweise Kunststoff, auf.
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Die Verdampfereinheit 20 weist mindestens ein elektrisches Heizelement 65, insbesondere mindestens ein Widerstandsheizelement, auf, das erfindungsgemäß im Bereich der Austrittsöffnung 68 des Kanals 62 angeordnet ist. Es kann auch eine Mehrzahl parallel zueinander angeordneter (Widerstands-)Heizelemente 65 vorgesehen sein. Diese parallel angeordneten Heizelemente 65 können elektrisch parallel oder in Reihe verschaltet und ggf. jeweils separat ansteuerbar sein. Jedes Heizelement 65 ist über eine elektrische Leitung 70 mit der elektrischen Energiequelle 14 verbunden und wird mit einer Heizspannung Uh beaufschlagt. Das Heizelement 65 weist vorteilhaft mindestens eine Öffnung 71 auf. Es kann sich dabei um eine zentrale Öffnung 71 handeln, die mit der Austrittsöffnung 68 des Kanals 62 korrespondiert und vorzugsweise konzentrisch zu dieser angeordnet ist. Ausführungen mit einer Mehrzahl von Öffnungen 71 sind möglich, siehe 8. Die durch die Austrittsöffnung 68 austretende Flüssigkeit 50 fließt in die Öffnung 71 des Heizelements 65 und wird dort verdampft. Das Heizelement 65 und die Öffnungswände des Grundkörpers 60 bilden somit mindesten eine Düse mit Düsenöffnung 79 aus, mittels der die Flüssigkeit 50 in Form von Dampf und/oder Aerosol aus der Verdampfereinheit 20 herausgesprüht wird, siehe 3B, die später erläutert wird. Im Folgenden werden die Begriffe Düse und Düsenöffnung synonym verwendet und einheitlich mit der Bezugsziffer 79 versehen. Wie in 2 gezeigt, wo sich der Verdampfer 20 in einer Gleichgewichtssituation bei ausgeschaltetem Heizelement 65 befindet, liegt das Heizelement 65 in der Grenzfläche 73 zwischen Flüssigkeit und Luft.
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Die Düsenöffnung(en) 79 kann bzw. können 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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Wie aus den 4 bis 8 und insbesondere 6 ersichtlich ist, kann die Austrittsöffnung 68 des Substrats 60 vorteilhaft länglich bzw. schlitzförmig ausgebildet sein, d.h. die Länge L der Öffnung 68 ist vorzugsweise um mindestens einen Faktor 1.5, weiter vorzugsweise um mindestens einen Faktor 2, noch weiter vorzugsweise um mindestens einen Faktor 2.5 größer als deren Breite B. Die Öffnung 68 kann auch anders geformt sein, beispielsweise rund, quadratisch oder vieleckig.
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Das Heizelement 65 besteht vorzugsweise aus einem NTC-Material mit negativem Temperaturkoeffizienten. In der elektronischen Einheit 19 ist vorzugsweise eine in 2 nur schematisch gezeigte Einrichtung 72 zur Messung des Widerstands des Heizelements 65 vorgesehen. Die elektronische Einheit 19 kann vorteilhaft eine Temperatursteuerung oder -regelung des Heizelements 65 auf der Grundlage der mittels der Widerstandsmesseinrichtung 72, oder eines nicht gezeigten T-Sensors oder eines Nachbarheizelements, durchführen.
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Als Substrat für den Verdampfungskörper 60 dient vorzugweise ein Siliziumsubstrat von beispielsweise ca. 0,3 mm bis 1 mm Dicke. Die den Kanal 62 bildende Öffnung im Substrat kann bei Verwendung von 100-Wafern durch nasschemisches Ätzen mit Kaliumhydroxidlösung (KOH) so gestaltet werden, dass sie vorteilhaft konisch zuläuft. Dies führt zu einem geringen Nachströmwiderstand und somit einer großen freisetzbaren Dampfmenge.
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Um die Chipabmessungen gering zu halten, kann es jedoch auch vorteilhaft sein, alternativ eine Öffnung mit in 2 senkrechten Wänden zu erzeugen, bei der der Querschnitt des Kanals 62 von der Eintrittsseite 61 zur Austrittsseite 64 konstant bleibt. Dies könnte durch Trockenätzen oder KOH-Ätzen von 110-Wafern erreicht werden.
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Das Substrat 60 kann auch aus anderen Materialien bestehen, die durch das Liquid 50 benetzt werden.
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Das Heizelement 65 besteht vorzugsweise aus einer 0,5 µm bis 10 µm dicken Schicht aus einem geeigneten, elektrisch leitenden Material, insbesondere Polysilizium. Substrat 60 und Heizelement 65 können durch eine thermisch und/oder elektrisch isolierende Schicht 74 voneinander getrennt sein.
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Im Folgenden wird der Verdampfungsvorgang anhand der 3A bis 3D beschrieben. 3A zeigt den Querschnitt der Verdampfereinheit 20 in einer stabilen Ausgangssituation. Hier nimmt die Temperatur des Heizelements 65 einen definierten Wert an, der signifikant unterhalb der Verdampfungstemperatur der niedrigsiedenden Komponenten des Liquids 50, insbesondere unterhalb von 100 °C liegt. Diese Temperatur des Heizelements 65 kann die Raumtemperatur sein oder auch ein erhöhter, geregelter Wert. Das Liquid 50 benetzt das Heizelement 65 in einer stabilen, reproduzierbaren, durch Kapillarkräfte hervorgerufenen Konfiguration.
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In der nachfolgenden Verdampfungsphase, 3B, wird das Heizelement 65 mit hoher Leistung erhitzt, wodurch das Liquid in direkter Nähe des Heizelements 65 verdampft und als Dampf bzw. Aerosol 40 aus der Verdampfereinheit 20 austritt. Bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur des Heizelements 65, oder nach einer vorgegebenen Heizdauer, wird der Heizvorgang unterbrochen.
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In der Nachfüllphase, 3C, kühlt das Heizelement 65 ab. Das verdampfte Liquid 50 wird durch Kapillareffekt (Young-Laplace-Gleichung) in Richtung Heizelement 65 nachgefördert, sodass sich wieder die stabile Ausgangssituation ergibt, 3D.
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Der Kapillareffekt kann vorteilhaft durch eine in dem Liquid-Kanal
62 vorgesehene Förder- und/oder Durchflusssteuereinrichtung unterstützt werden. Dabei kann es sich insbesondere um eine Pumpe, ein Ventil und/oder eine auf elektrischer Benetzung (electro wetting) beruhende Einrichtung handeln. Es wird hinsichtlich der Durchflusssteuereinrichtung (dort Bezugszeichen
66) Bezug genommen auf die Anmeldung
DE 10 2016 120 803.5 der Anmelderin, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
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Die Zyklusdauer des in den 3A bis 3D gezeigten Verdampfungszyklus liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 20 ms und 200 ms, sodass der Nutzer den Dampf als ungepulst empfindet und eine entsprechende Anzahl von Zyklen pro Rauchvorgang bzw. pro Zug abgeschlossen werden können. Alternativ könnte die Verdampfungssteuerung auch so ausgelegt werden, dass ein einziger Zyklus von beispielsweise ca. 2 s Dauer als Rauchvorgang bzw. Puff oder Zug verwendet wird. Im allgemeinen ist die Heizspannung Uh vorzugsweise gepulst mit einer Pulsfrequenz im Bereich zwischen 10 Hz und 10 kHz.
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Die lichte Austrittsweite der Verdampfereinheit 20, begrenzt durch das Heizelement 65 und die Öffnungskante des Verdampfungskörpers 60, weist vorteilhaft Abmessungen zwischen ca. 10 µm und 500 µm auf, um ein Auslaufen des Liquids über eine genügend hohe Kapillarkraft zu verhindern.
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Die Solltemperatur für die Verdampfung der Liquide liegt allgemein im Bereich zwischen 100 °C und 400 °C.
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Der Verdampfungskörper 60 ist vorzugsweise ein mikro-elektromechanisches (MEMS) Bauteil, wird vorzugsweise in Reinraum-Technologie gefertigt und weist eine definierte Geometrie der Verdampferöffnung 68 und des Heizers 65 auf.
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Die Geometrie des Heizelements 65 ist vorteilhaft so ausgelegt, dass sich eine homogene Temperaturverteilung über das Heizelement 65 ergibt. Zu diesem Zweck kann der lokale Querschnitt des Heizelements 65 so variiert werden, dass an Stellen erhöhter Wärmeverluste eine erhöhte Heizleistung, insbesondere durch lokale Reduzierung des elektrischen Widerstands, eingestellt wird.
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Verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen des Heizelements 65 sind in den 4 bis 8 jeweils in einer Draufsicht von oben auf die Düsenöffnung 71 gezeigt.
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In der Ausführungsform nach 4 wird das schraffiert dargestellte Heizelement 65 so in Längsrichtung über die schlitzförmige Öffnung 68 im Substrat 60 gespannt, dass ein länglicher, parallel zur Längsrichtung der Öffnung 68 ausgerichteter zentraler Steg 80 gebildet ist. Der Steg 80 ist über eine Mehrzahl von seitlichen Fortsätzen, die über die Länge des Stegs 80 verteilte Anker 81 bilden, beidseitig entlang der Längsseiten des Schlitzes 68 an dem Verdampfungskörper 60 befestigt. Auf diese Weise ist eine Mehrzahl von Düsen 79 gebildet, wobei jeweils eine Düse 79 von dem Steg 80, zwei Ankern 81 und einem Teil der Öffnungskante des Substrats 60 gebildet ist. Die Öffnungsweite einer Düse 79 liegt im Bereich von ca. 10 µm bis 0,2 mm. Die Breite des Stegs 80 und der Anker 81 hängen kritisch vom Material des Heizelements 65 ab. Sie liegen vorteilhaft im Bereich zwischen ca. 5 µm und 0,1 mm.
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Da die Anker 81 Wärme abführen, ist der Steg 80 an den Anschlussstellen zu den Ankern 81 hin kühler ist als in der Mitte zwischen zwei Ankern 81. Dieser Effekt kann durch eine Verjüngung 82 des Stegs 80 an der Anschlussstelle zum Anker 81, und/oder eine Verbreiterung 83 des Stegs 80 in Längsrichtung zwischen zwei Ankern 81, kompensiert werden, siehe 5. Aufgrund der erhöhten Stromdichte im Bereich der Verjüngung 82 wird hier mehr Wärme erzeugt, was den erhöhten Wärmeabfluss kompensiert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform, bei der das Heizelement 65 als Mäander geformt ist, ist in 6 dargestellt. Der erhöhte Wärmeabfluss an den Verbindungsstellen zum Substrat 60 kann wie beschrieben durch Verjüngungen 82 bzw. Verbreiterungen 83 kompensiert werden, siehe 7.
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Eine weitere Ausführungsform ist in
8 dargestellt. Eine große Öffnung
68 im Substrat
60 wird durch eine Schicht aus Heizmaterial abgedeckt, die das Heizelement
65 bildet. In dieser Schicht befindet sich eine Mehrzahl von Löchern
71 mit einem Durchmesser im Bereich zwischen ca. 10 µm und 0,5 mm als Düsen
79 zum Dampfaustritt. Es wird auch insoweit Bezug genommen auf die Anmeldung
DE 10 2016 120 803.5 der Anmelderin.
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Die 4, 8 und 10 zeigen Elektroden 84, die zum Anlegen der Heizspannung Uh an das Heizelement 65 mit diesem verbunden sind.
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Das Heizelement 65 kann die Form eines Heizdrahtes oder eine andere geeignete Form haben. Die Messung des Widerstands des Heizelements 65 mittels der Messeinrichtung 72 dient zur Messung der Temperatur des Heizelements 65 und gegebenenfalls zur Regelung desselben durch Anpassung des Betriebsstroms Ih oder der Betriebsspannung Uh. Die Temperaturmessung kann über den gesamten Heizer erfolgen oder nur über Teilabschnitte. So kann bei Stromspeisung durch Messung der Spannung zwischen zwei Ankern 81 (4) oder zwischen zwei Windungen des Mäander (6) der lokale Widerstand und somit die lokale Temperatur gemessen werden.
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Alternative Ausführungen der Heizelemente 65 sind in den 9 und 10 gezeigt. Deren Form mit Heizleitern 85 ist an bionische Strukturen, wie sie in Form von Mikrofibrillen insbesondere in Holzfaserzellen oder Tracheen zu finden sind, angelehnt, siehe 9. Vorteilhafte Abmessungen der Kanäle 86 zwischen den Heizleitern 85, d.h. der freie Abstand zwischen benachbarten Heizstrukturen 85, liegen im Bereich zwischen 10 µm und 0.5 mm, weiter vorteilhaft zwischen 15 µm und 150 µm, vergleichbar dem Durchmesser der Düsen 79.
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Eine bionische Heizstruktur entsprechend geformten und beabstandeten Heizelementen 65 bzw. Heizleitern 85, die durch Leitungsabschnitte 87 seriell miteinander verbunden sein können, ist in 10 gezeigt. Die 10A ist eine vergrößerte auszugsweise Darstellung der 10 im Bereich eines Heizelements 65. Wie in den 10 und 10A erkennbar ist, ergibt sich durch die vorteilhafte netzartige Verknüpfung der Heizleiter 85 bzw. der Heizelementgeometrie eine dichte Flächenstruktur mit großer Flächenabdeckung, was eine besonders schnelle und effiziente Verdampfung von Flüssigkeit ermöglich.
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Der auf eine bionische Struktur bezogene Patentanspruch 16 ist von allgemeinerer Bedeutung und könnte daher in einer nur auf den Oberbegriff von Anspruch 1 rückbezogenen Form schützbar sein.
