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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfervorrichtung für einen Inhalator, insbesondere für ein elektronisches Zigarettenprodukt, umfassend einen elektrischen Verdampfer zum Verdampfen von dem Verdampfer zugeführter Flüssigkeit, wobei der Verdampfer auf einem Träger aufgebracht ist, und wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung zur Versorgung des Verdampfers mit Flüssigkeit. Die Erfindung betrifft ferner einen Inhalator und ein Verfahren zur Herstellung einer Verdampfervorrichtung.
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Konventionelle elektrische Zigaretten, bei denen im Gegensatz zu klassischen Zigaretten nicht Tabak verbrannt, sondern eine beispielsweise nikotinhaltige Flüssigkeit (E-Liquid) verdampft wird, basieren auf der sogenannten Docht-Wendel Technologie. Ein in Flüssigkeit, typischerweise eine Mischung aus Propylenglykol, Glycerin und Wasser, getränkter, poröser Docht ist von einer metallischen Heizspule umschlossen und wird bei Stromfluss erhitzt. Aufgrund der Kapillarkräfte im Docht wird Flüssigkeit zum Verdampfen nachgezogen. Derartige elektronische Zigaretten emittieren Schadstoffe wie Formaldehyd, Carbonyle, Nitrosamine und Spuren von Metallen aufgrund zu hoher Verdampfungstemperaturen und den verwendeten Heizer-Materialien. Die Verdampfungsbedingungen sind zudem baubedingt unkontrolliert, da weder die Benetzung der Spule mit Liquid stets gewährleistet werden und das System somit trocken laufen und lokal überhitzen kann, noch die Temperaturverteilung der Verdampfungsstelle ausgehend von der Dochtwendel ausreichend homogen, kontrolliert oder gar geregelt ist. Im Inneren des Docht-Wendel-Systems kommt es zu einer raschen Aufheizung, Blasenbildung und somit zu einer unkontrollierten Verdampfung. Eine lokale Überhitzung des Liquid lässt sich nicht vermeiden.
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Die Herausforderungen für elektronische Zigaretten sind unter anderem durch die geringe Baugröße, die Kontrolle der Temperatur und die Reduzierung von Schadstoffen, und eine geeignete Verdampfungsmenge an Flüssigkeit gegeben.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine zuverlässige und effektive Verdampfervorrichtung zur Verfügung zu stellen.
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Die Erfindung löst das Problem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Flüssigkeitszuleitung im Wesentlichen innerhalb des Trägers verläuft und dass der Träger im Wesentlichen als flexible Folie ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung gewährleistet eine geometrisch flexible fluidische Anbindung des Verdampfers. Der Verlauf der Flüssigkeitszuleitung im Wesentlichen in Querrichtung zu der Dampfaustrittsrichtung begünstigt eine effektive Nutzung des Bauraums der Verdampfervorrichtung. Somit ermöglicht die Erfindung neue Bauformen von Inhalatoren.
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Typischerweise weist ein Verdampfer eine Auslassseite auf, aus der die verdampfte Flüssigkeit beziehungsweise Aerosol ausgegeben wird. Die Dampfaustrittsrichtung steht im Wesentlichen senkrecht auf der Auslassseite des Verdampfers. Die Auslassseite des Verdampfers ist vorteilhaft so angeordnet, dass die verdampfte Flüssigkeit beziehungsweise das Aerosol einem Luftstrom zugebbar ist. Damit weist die Dampfaustrittöffnung vorteilhaft in Richtung des Luftstroms beziehungsweise einer Verdampfungskammer, in welcher sich die verdampfte Flüssigkeit beziehungsweise Aerosol mit dem Luftstrom mischt. Dabei wird der Verdampfer erfindungsgemäß innerhalb des im Wesentlichen als flexible Folie ausgebildeten Trägers mit Liquid versorgt.
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Die Flüssigkeitszuleitung kann in Form einer Kanalstruktur beziehungsweise wenigstens eines Mikrokanals ausgeführt sein und erlaubt die Führung beziehungsweise den Transport des Fluids über Kapillarkräfte. Die Flüssigkeitszuleitung kann mit einer Einlassseite des Verdampfers kommunizieren, um dem Verdampfer Flüssigkeit zum Verdampfen zugeben zu können.
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Erfindungsgemäß ist der Träger im Wesentlichen als flexible Folie ausgebildet, um einen flexiblen Träger bereitstellen zu können, der durch die Flexibilität eine vorteilhafte Nutzung des Bauraums ermöglicht. Der Träger ist im Wesentlichen flexibel, was vorteilhaft bedeuten kann, dass der Träger eine mechanisch stabile beziehungsweise starre Verdampferaufnahme zur mechanischen Aufnahme des Verdampfers aufweisen kann, um eine sichere Montage des Verdampfers zu gewährleisten. Ferner kann der Träger weitere unflexible Bereiche, beispielsweise zur mechanischen und/oder elektrischen Wirkverbindung mit externen Komponenten, aufweisen.
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Die Flüssigkeitszuleitung kann ebenso flexibel und platzsparend angeordnet werden wie die flexible Folie beziehungsweise der Träger. Dies erlaubt einen effektiven Flüssigkeitstransport und eine vorteilhafte Nutzung des Bauraums. Die Flüssigkeit ist dem Verdampfer vorteilhaft in einer parallel zu der Folie verlaufenden Strömungsrichtung zuführbar, was effektiv und zuverlässig eine Kontrolle der Verdampfungsmenge und/oder einen Transport der zu verdampfenden Flüssigkeit erlaubt.
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Die Flüssigkeitszuleitung kann sich beispielsweise zwischen und parallel zu der flexiblen Folie und einer Kanalwand erstrecken, wobei die Kanalwand beispielsweise durch eine weitere Folie, Gehäuseteile des Inhalators, einem Flüssigkeitsspeicher, einer Wand eines Luftkanals und/oder anderen Teilen gebildet sein kann. Bevorzugt ist die flexible Folie mehrschichtig ausgebildet, um den Träger wenigstens teilweise flexibel ausbilden zu können und die seitliche Fluidzufuhr auf einfache Weise zu ermöglichen.
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Bevorzugt verläuft die Flüssigkeitszuleitung zwischen zwei Schichten der flexiblen Folien, und die Flüssigkeitszuleitung wird durch wenigstens eine Folie geometrisch definiert, um die Flüssigkeitszuleitung flexibel innerhalb des Trägers anordnen zu können. Die Strömungsrichtung verläuft in dieser Ausführungsform somit zwischen und parallel zu zwei flexiblen Folien des Trägers. Zwischen zwei flexiblen Folien ist vorteilhaft eine Kanalstruktur beziehungsweise wenigstens ein Mikrokanal gebildet, in dem Flüssigkeit strömen kann, wobei die zwei flexiblen Folien wenigstens zwei sich beispielsweise gegenüberliegende Kanalwände bilden. Beispielsweise kann die die Flüssigkeitszuleitung definierende Folie eine Aussparung aufweisen, innerhalb derer Flüssigkeit leitbar ist. Die Flüssigkeitszuleitung wird in diesem Beispiel durch die Aussparung definiert und vorteilhaft durch die flexiblen Folien bewandet beziehungsweise begrenzt. Die Flüssigkeitszuleitung ist in dieser Ausführungsform flexibel, was eine vorteilhafte Nutzung des Bauraums und vielfältige Möglichkeiten zur Anordnung der Flüssigkeitszuleitung ermöglicht.
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Vorzugsweise ist die mehrschichtige Folie durch einen Verbund eines Folienstapels beziehungsweise einer Mehrschichtanordnung gebildet. Vorteilhaft kontaktieren sich die übereinanderliegenden flexiblen Folien wenigstens teilweise flächig, um einen Verbund zu bilden. Die übereinanderliegenden flexiblen Folien können verklebt und/oder verschweißt sein und/oder mittels Kohäsion- und/oder Adhäsionskräften miteinander verbunden sein. Für die flächige Verbindung zweier flexibler Folien kann eine Verbindungsschicht vorgesehen sein. Vorteilhaft ist die Verbindungsschicht eine Kleberschicht. In einer Ausführungsform verläuft die Flüssigkeitszuleitung zwischen zwei flexiblen Folien innerhalb des Folienstapels.
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Vorteilhaft ist mindestens eine flexible Folie eine Polymerfolie, um die Flüssigkeitszuleitungen effektiv ausbilden zu können und/oder die Biegsamkeit bei ausreichender kapillarer Versorgung gewährleisten zu können. Vorzugsweise ist mindestens eine flexible Folie eine hochtemperaturfeste Polymerfolie aus einem hochtemperaturfesten Polymer, um der Temperaturbelastung in der Verdampfervorrichtung ohne chemische und/oder mechanische Beeinträchtigung standhalten zu können, d.h. vorzugsweise ist das Polymer bis zu einer Temperatur von wenigstens 250 °C, weiter vorzugsweise bis zu einer Temperatur von wenigstens 300 °C, besonders vorzugsweise bis zu einer Temperatur von wenigstens 400 °C, temperaturstabil. Das hochtemperaturfeste Polymer ändert seine mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften nicht maßgeblich gegenüber der Raumtemperatur und altert nicht maßgeblich schneller als bei Raumtemperatur.
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Bevorzugt umfasst wenigstens eine flexible Folie Polyimid, um eine hochtemperaturfeste und formtreue flexible Folie bereitstellen zu können. Die flexible Folie ist in dieser Ausführungsform ein elektrischer Isolator. Die flexible Folie ist geeignet, vorzugsweise metallische Leiterbahnen aufzuweisen. In dieser Ausführungsform kann der Träger auf der flexiblen Folie aufgebrachte elektrische Leitungen umfassen.
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Vorteilhaft ist der Träger flexibel, insbesondere aufrollbar, um eine möglichst effektive Anordnung in einem Inhalator zu ermöglichen. Der Träger umfasst in dieser Ausführungsform flexible Abschnitte. Die flexiblen Abschnitte können durch die flexible Folie und/oder die Mehrschichtanordnung beziehungsweise den Folienstapel ausgebildet sein. Der Träger kann auch nicht-flexible beziehungsweise starre Abschnitte umfassen, um beispielsweise elektrische Kontakte und/oder ein Teil eines Gehäuses oder eines Flüssigkeitsspeichers ausbilden zu können. Der Träger ist aufrollbar, wenn er sich zu einem Hohlzylinder zusammenrollen lässt, wobei der Begriff Hohlzylinder nicht auf einen kreisrunden Querschnitt beschränkt ist und insbesondere Spiralen und/oder Ellipsen umfasst. Es ist auch denkbar, dass der Träger eine Mehrzahl von flexiblen Gelenken umfasst, zwischen denen sich starre Trägerplatten erstrecken. In dieser Ausführungsform kann der Träger mit einem kantigen Querschnitt aufrollbar sein. Der Träger kann im aufgerollten Zustand überlappen. Der Träger kann im aufgerollten Zustand verklebt, verschweißt, verlötet und/oder mit Befestigungselementen in zusammengerollten Zustand haltbar und/oder gehalten sein.
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Bevorzugt ist der Träger zu einem Flüssigkeitsspeicher aufgerollt und/oder umgeschlagen. Der Flüssigkeitsspeicher kann durch Aufrollen und/oder Umschlagen zwischen einer oder mehreren Seiten der flexiblen Folie gebildet sein. Vorteilhaft ist der Flüssigkeitsspeicher somit aus dem Träger gebildet und benötigt kein zusätzliches Bauteil. Vorteilhaft weist der Träger einen flexiblen Trägerabschnitt auf, der mit einem Verbindungsabschnitt verbunden ist, und/oder innerhalb dessen der Flüssigkeitsspeicher gebildet ist.
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In einer Ausführungsform weist der Verdampfer eine Einlassseite zur Aufnahme von Flüssigkeit auf, und die Einlassseite korrespondiert mit einem Leitungsende der Flüssigkeitszuleitung, um die Flüssigkeitszuleitung zuverlässig in Wirkverbindung mit dem Verdampfer setzen zu können, dem Verdampfer Flüssigkeit zum Verdampfen zugeben zu können und/oder die Flüssigkeitszuleitung effektiv gestalten zu können. Diese Ausführungsform ermöglicht einen definierten und effektiven Wärmeübergang vom Verdampfer auf die zu verdampfende Flüssigkeit durch die große benetzte Oberfläche des Verdampfers und den direkten Kontakt der Flüssigkeit zum Verdampfer. Die Flüssigkeitszuleitung endet in dieser Ausführungsform an dem Leitungsende, welches mit der Einlassseite des Verdampfers kommuniziert. Vorteilhaft weist wenigstens eine flexible Polymerfolie in dieser Ausführungsform eine dem Leitungsende zugeordnete Flüssigkeitsdurchgangsöffnung auf, in beziehungsweise auf die die Einlassseite des Verdampfers anordenbar ist.
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Beispielsweise ist die Flüssigkeitszuleitung wenigstens teilweise durch wenigstens zwei flexible Folien begrenzt, um die Flüssigkeitszuleitung zwischen zwei flexiblen Folien ausbilden zu können. In dieser Ausführungsform ist die Flüssigkeitszuleitung vorteilhaft innerhalb des Trägers ausgebildet und/oder angeordnet. Die Flüssigkeit ist vorteilhaft innerhalb des Trägers durch die Flüssigkeitszuleitung vorzugsweise mit Kapillarkräften transportierbar.
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Vorteilhaft weist die Flüssigkeitszuleitung wenigstens teilweise eine Höhe von mindestens 100 µm, vorzugsweise mindestens 175 µm, weiter vorzugsweise mindestens 350 µm, auf, um die Kapillarwirkung in der Flüssigkeitszuleitung zum Transport von Flüssigkeit nutzen zu können. Vorteilhaft weist die Flüssigkeitszuleitung eine Breite senkrecht zur Strömungsrichtung von mehr als 1,5 mm, vorzugsweise mehr als 3 mm, auf. Vorteilhaft weist die Flüssigkeitszuleitung eine Länge in Strömungsrichtung von weniger als 40 mm, vorzugsweise weniger als 20 mm, auf.
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Vorzugsweise weist der Träger eine Dicke von maximal 1 mm, vorzugsweise maximal 500 µm, weiter maximal vorzugsweise 350 µm, auf, um vorteilhafte mechanische Eigenschaften der Verdampfervorrichtung zu erzielen. Die vorteilhaften mechanischen Eigenschaften umfassen beispielsweise die Fähigkeit, den Verdampfer zuverlässig halten zu können und/oder die Flexibilität des Trägers. Die Dicke des Trägers ist die Dicke der Mehrschichtanordnung beziehungsweise des Folienstapels vorzugsweise mit dem Verdampfer. Die Mehrschichtanordnung, der Folienstapel beziehungsweise die mindestens eine flexible Folie hat vorteilhaft eine Dicke von weniger als 500 µm, vorzugsweise weniger als 350 µm, beispielsweise 300 µm. Dies erlaubt eine zu einem Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser von 10 mm bis 15 mm aufgerollte(n) Mehrschichtanordnung, Folienstapel beziehungsweise mindestens flexible Folie.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Verdampfervorrichtung mehrere Verdampfer, um die Verdampfungsleistung anpassen und/oder die Verdampfer vorteilhaft anordnen zu können. Eine Mehrzahl von Verdampfers stellt im Vergleich zu einem Verdampfer eine vervielfachte Oberfläche zur Flüssigkeitszufuhr und/oder zur Verdampfung bereit und/oder kann geeignet sein, mehr Flüssigkeit zu verdampfen als ein einzelner Verdampfer. Die Verdampferleistung korreliert mit der Chipfläche beziehungsweise der Oberfläche der Verdampfer. Somit ist die Verdampferleistung mit der Zahl der Verdampfer skalierbar und ermöglicht einen variablen Systemaufbau. Eine Mehrzahl von Verdampfern kann auf dem Träger vorteilhaft angeordnet werden, um der Geometrie der Verdampfervorrichtung und/oder des Inhalators beziehungsweise der durch die Verdampfervorrichtung strömenden Luft Rechnung zu tragen. Beispielsweise können zwei Verdampfer mit einander gegenüberliegenden Auslassseiten angeordnet sein.
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Vorzugsweise weist die Flüssigkeitszuleitung mehrere Leitungsenden und wenigstens eine Verzweigung auf, um eine Mehrzahl von Verdampfern vorteilhaft Flüssigkeit zuleiten zu können. Beispielhaft ist die Zahl der Leitungsenden kleiner oder gleich der Zahl der Verdampfer. Die Zahl der Verzweigungen ist beispielsweise kleiner als die Zahl der Verdampfer.
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Vorteilhaft sind auf der flexiblen Folie elektrische Verbindungselemente zur elektrischen Verbindung der Verdampfervorrichtung mit einem externen Teil aufgebracht, um die Verdampfervorrichtung mit einem externen Teil, beispielsweise einem Basisteil eines Inhalators und/oder einer Stromversorgungsvorrichtung elektrisch verbinden zu können. Beispielsweise kann die flexible Folie lokal metallisch beschichtet sein, um die elektrischen Verbindungselemente auszubilden. Der Träger kann somit auf der flexiblen Folie aufgebrachte elektrische Leiterbahnen, Kontakte und/oder Widerstände umfassen. In einer Ausführungsform ist ein elektrisches Verbindungselement innerhalb des Träger, d.h. zwischen wenigstens zwei flexiblen Folien, angeordnet. Die elektrischen Verbindungselemente sind vorteilhaft temperaturbeständig und niederohmig, d.h. die elektrischen Verbindungselement weisen einen geringen Ohm'schen Widerstand auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verdampfer wenigstens teilweise siliziumbasiert, vorzugsweise ein Mikro-Elektro-Mechanisches System (MEMS), um einen effektiven und zuverlässigen Verdampfer bereitstellen zu können. Vorteilhaft umfasst der Verdampfer einen Siliziumchip, welcher präzise über MEMS-Fertigungsprozesse in einer Vielfalt an Geometrievarianten strukturierbar ist. Beispielsweise kann der Verdampfer mit Zylindern, Konen, Schlitzen und/oder ähnliche Strukturen strukturiert werden.
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Vorzugsweise weist der Verdampfer eine metallische Oberfläche auf, um auf der Oberfläche des Verdampfers einen elektrischen Widerstand zur Beheizung des Verdampfers bereitzustellen. Beispielsweise kann ein Siliziumchip beziehungsweise siliziumbasierter Verdampfer auf der Oberfläche an einer Auslassseite mit einer 100 nm bis 300 nm dicken Metallschicht, beispielsweise durch Sputtern, vorgesehen sein.
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Ein Inhalator umfasst eine Verdampfervorrichtung und vorteilhaft einen Flüssigkeitsspeicher, der dazu eingerichtet ist, eine Flüssigkeit zu speichern, wobei der Flüssigkeitsspeicher flüssigkeitsleitend mit der Flüssigkeitszuleitung verbunden ist, um eine effektive Anordnung beziehungsweise fluidische Anbindung von Verdampfervorrichtung und Flüssigkeitsspeicher zu ermöglichen.
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Vorzugsweise ist der Flüssigkeitsspeicher hohlzylinderförmig, um eine effektive Anordnung des Flüssigkeitsspeichers und der vorteilhaft flexiblen Verdampfervorrichtung zu ermöglichen. Beispielsweise kann an einer Außenseite des Flüssigkeitsspeichers die Verdampfervorrichtung angeordnet sein und über Flüssigkeitseinlassöffnungen flüssigkeitsleitend mit der Verdampfervorrichtung verbunden sein und/oder in der Mitte des hohlzylinderförmigen Flüssigkeitsspeichers ein Luftkanal zur Führung von Aerosol/Dampf angeordnet sein.
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Bevorzugt ist der Flüssigkeitsspeicher und/oder eine Mantelseite des Flüssigkeitsspeichers wenigstens teilweise von wenigstens einer flexiblen Folie ausgebildet, um die flexible Folie, zu der sich die Flüssigkeitszuleitung parallel erstreckt, effektiv sowohl für die Flüssigkeitszuleitung und den Flüssigkeitsspeicher und/oder die Mantelseite des Flüssigkeitsspeichers zu nutzen. Vorteilhaft weist die flexible Folie beziehungsweise der Flüssigkeitsspeicher und/oder die Mantelseite des Flüssigkeitsspeichers Flüssigkeitseinlassöffnungen zum Einlassen von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsspeicher in die Flüssigkeitszuleitung auf.
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Vorteilhaft ist der Träger aufgerollt und bildet wenigstens teilweise den Flüssigkeitsspeicher, insbesondere eine Mantelseite des Flüssigkeitsspeichers, um den vorteilhaft flexiblen Träger für eine effektive Nutzung des Bauraums und der Bauteile vorteilhaft anordnen zu können.
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Vorzugsweise ist eine elektronische Steuerungsvorrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die Versorgungsspannung der Verdampfervorrichtung in Abhängigkeit des niedrigsten Widerstands der Verdampfervorrichtung zu ermitteln, um eine hohe Messauflösung zu erzielen. Vorteilhaft ist zur Ermittlung der Versorgungsspannung ein Strom-Messwiderstand (Shunt) vorgesehen.
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Bevorzugt ist eine elektronische Steuerungsvorrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die Leistung der Verdampfervorrichtung mit Pulsweitenmodulierung zu regeln, um eine effektive Leistungsregelung zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung der Verdampfervorrichtung vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst eine Bereitstellung der Verdampfervorrichtung und eine planare Anordnung des Trägers, wobei planar nicht ausschließlich auf eine insbesondere exakt ebene Ausrichtung des Trägers beschränkt ist. Dementsprechend kann der Träger auch Krümmungen aufweisen. Für das Verfahren bedeutet planar, dass der Träger frei von übergeschlagenen Falten, Knicken und/oder Ähnlichem ist. Es erfolgt ein Umschlagen eines flexiblen Trägerabschnittes des Trägers, so dass der flexible Trägerabschnitt sich selbst und/oder ein verdampferseitiges Trägerteil an einem Verbindungsabschnitt kontaktiert und einen Flüssigkeitsspeicher ausbildet, um eine effektive Herstellung einer kompakten Verdampfervorrichtung zu ermöglichen. Der Verbindungsabschnitt wird zwischen dem Verdampfer und dem Flüssigkeitsspeicher angeordnet, um sicherzustellen, dass die Auslassseite des Verdampfers in einer Verdampfungskammer und/oder einem Luftkanal angeordnet werden kann.
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Vorteilhaft kann der Verbindungsabschnitt verklebt und/oder verschweißt werden, um den Flüssigkeitsspeicher flüssigkeitsdicht zu verschließen. In anderen Ausführungsformen kann der Verbindungsabschnitt auch Klemmen und/oder Clips zum flüssigkeitsdichten Verschließen aufweisen und/oder den Flüssigkeitsspeicher flüssigkeitsdicht durch Kohäsions- und/oder Adhäsionskräfte zwischen den einander kontaktierenden Trägerabschnitt und/oder Trägerteil schließen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung eines Inhalators;
- 2A, 2B eine Explosionsdarstellung und einen Schnitt einer Verdam pfervorrichtung;
- 3 eine perspektive Ansicht einer Verdampfervorrichtung;
- 4 - 6 je einen Schnitt durch eine Verbrauchseinheit mit einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung;
- 7 ein Schema einer Temperaturregelungsvorrichtung;
- 8 eine schematische Darstellung einer Verdampfereinheit mit einem umgeschlagenen flexiblen Träger; und
- 9 einen Querschnitt durch die Verbrauchseinheit gemäß 6.
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1 zeigt schematisch einen Inhalator 27. Der Inhalator 27, hier ein elektronisches Zigarettenprodukt, umfasst ein Gehäuse 28, in dem ein Luftkanal 30 zwischen mindestens einer Lufteinlassöffnung 31 und einer Luftauslassöffnung 24 an einem Mundende 32 des Zigarettenprodukts 27 vorgesehen ist. Das Mundende 32 des Zigarettenprodukts 27 bezeichnet dabei das Ende, an dem der Konsument zwecks Inhalation zieht und dadurch das Zigarettenprodukt 27 mit einem Unterdruck beaufschlagt und einen Luftstrom 5 entlang einer Luftströmungsrichtung II in dem Luftkanal 30 erzeugt. Die Zugrichtung des Luftstroms kann auch in umgekehrter Richtung ausgeprägt sein.
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Das Zigarettenprodukt 27 umfasst vorteilhaft eine Verdampfervorrichtung 1 mit wenigstens einem Verdampfer 3 und einem Flüssigkeitsspeicher 18. Das Zigarettenprodukt 27 besteht vorteilhaft aus einem Basisteil 25 und einer Verbrauchseinheit 17, die die Verdampfervorrichtung 1 umfasst und insbesondere in Form einer auswechselbaren Kartusche ausgebildet ist.
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Die durch die Einlassöffnung 31 angesaugte Luft 5 wird in dem Luftkanal 30 zu oder entlang der Verdampfervorrichtung 1 geleitet.
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Der Verdampfer 3 ist mit mindestens einem Flüssigkeitsspeicher 18 verbunden oder verbindbar, in dem mindestens eine Flüssigkeit 2 gespeichert ist. Der Verdampfer 3 verdampft Flüssigkeit 2, die ihm aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 zugeführt wird, und gibt die verdampfte Flüssigkeit als Aerosol/Dampf an einer Auslassseite 64 in den Luftstrom 5 zu.
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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. Die in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicherte, zu dosierende Flüssigkeit 2 ist beispielsweise eine Mischung aus 1,2-Propylenglykol, Glycerin, Wasser, mindestens einem Aroma (Flavour) und/oder mindestens einem Wirkstoff insbesondere Nikotin und/oder einem medizinischen Wirkstoff. Im dem Flüssigkeitsspeicher 18 kann ein poröser Fluidträger angeordnet sein.
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Die elektronische Zigarette 27 umfasst des Weiteren einen elektrischen Energiespeicher 26 und eine elektronische Steuerungsvorrichtung 29. Der Energiespeicher 26 ist in der Regel in dem Basisteil 25 angeordnet und kann insbesondere eine elektrochemische Einweg-Batterie oder ein wiederaufladbarer elektrochemischer Akku, beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku, sein. Die elektronische Steuerungsvorrichtung 29 umfasst mindestens eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung, insbesondere Mikroprozessor und/oder Mikrocontroller, in dem Basisteil 25 (wie in 1 gezeigt) und/oder in der Verbrauchseinheit 17.
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Die Verbrauchseinheit bzw. Kartusche 17 umfasst vorteilhaft einen nichtflüchtigen Datenspeicher zum Speichern von die Verbrauchseinheit bzw. Kartusche 17 betreffender Information bzw. Parameter. Der Datenspeicher kann Teil der elektronischen Steuerungsvorrichtung 29 sein. In dem Datenspeicher ist vorteilhaft Information 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, eine ID zur eindeutigen Kennzeichnung der Verbrauchseinheit bzw. Kartusche 17, Seriennummer, Herstelldatum und/oder Ablaufdatum, und/oder Zugzahl (Anzahl der Inhalationszüge durch den Konsumenten) bzw. der Nutzungszeit gespeichert. Der Datenspeicher ist vorteilhaft über Kontakte und/oder Leitungen mit der Steuerungsvorrichtung 29 verbunden oder verbindbar.
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Der Inhalator 27 umfasst vorteilhaft einen Sensor, beispielsweise einen Druck- oder Strömungssensor beziehungsweise eine Durchfluss-Messanordnung 100 oder einen Druck- oder Strömungsschalter, wobei insbesondere die Steuerungsvorrichtung 29 auf der Grundlage eines von dem Sensor oder Schalter ausgegebenen Sensorsignals feststellen kann, dass ein Konsument am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 27 zieht, um zu inhalieren. In diesem Fall steuert die Steuerungsvorrichtung 29 die Verdampfervorrichtung 1 an, um Flüssigkeit 2 aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 als Aerosol/Dampf 6 in den Luftstrom 5 zuzugeben.
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An dem Gehäuse 28 ist vorteilhaft wenigstens ein Betätigungselement 101 vorgesehen, siehe 1. Das Betätigungselement 101 kann beispielsweise ein oder mehrere Schalter, Taster, Fingerdruckkraftmesser beziehungsweise Kraftsensor 106 sein. Insbesondere elektronische und/oder kapazitive Betätigungselemente 101 sind denkbar. Das Betätigungselement 101 kann beispielsweise zur Dosierung der Aroma- und/oder Wirkstoffe, insbesondere Nikotin, und/oder zur Einstellung des Zugwiderstandes eingerichtet sein.
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Vorteilhaft ist die Verdampferleistung des wenigstens einen Verdampfers 3, 3a, 3b, 3c, dessen Dampfrate variabel ist, anhand einer zeitaufgelösten Messung der Betätigung beziehungsweise Griffstärke des Betätigungselements 101 an die Griffstärke anpassbar. Vorzugsweise ist der Tastgrad und/oder die Temperatur des Verdampfers 3 einstellbar, um den Aroma- und/oder Wirkstoffanteil, insbesondere den Nikotinanteil, im Aerosol 6 beziehungsweise in der Dampfphase anhand der zeitaufgelösten Messung des Betätigungselements 101 an die Griffstärke anzupassen.
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Vorzugsweise ist die elektronische Steuerungsvorrichtung 29 dazu eingerichtet, den Tastgrad und/oder die Temperatur des Verdampfers 3 vorteilhaft genügend schnell einstellen zu können, um den Aroma- und/oder Wirkstoffanteil, insbesondere den Nikotinanteil, im Aerosol 6 beziehungsweise in der Dampfphase und die Dampfrate beziehungsweise den Massenstrom während eines Zuges, und unabhängig voneinander einstellen zu können und/oder vorteilhaft während des Zuges auf eine zeitaufgelöste Messung der Messanordnung 100 und/oder des Bedienelements 101 reagieren zu können.
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Es können in anderen Ausführungsformen eine Mehrzahl von Verdampfervorrichtungen 1 und/oder Verdampfern 3, 3a, 3b, 3c oder ein Verdampfer 3 in dem Luftkanal 30 oder einer Mehrzahl von Luftkanälen vorgesehen sein. Jede Verdampfervorrichtung 1 und/oder jeder Verdampfer 3, 3a, 3b, 3c ist so angeordnet, dass Aerosol 6 zu wenigstens einem der Luftkanäle 30 zugebbar ist. Zur Inhalation durch den Konsumenten wird die Summe der durch die Luftkanäle 30 strömenden Luftströme 5 zum Mundende 32 geleitet.
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An dem Gehäuse 28 ist vorteilhaft eine Anzeigevorrichtung 102 vorgesehen, die beispielsweise eine oder mehrere LEDs, Displays aus organischen Leuchtdioden (OLED) und/oder Flüssigkristalldisplays (LC-Displays) umfassen kann. Vorteilhaft kann die Anzeigevorrichtung 102 die Einstellung, insbesondere die Dampfmenge, Temperatur und/oder den Aroma- und/oder Wirkstoffgehalt, darstellen.
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In 2A und 2B ist eine vorteilhafte Ausführungsform einer Verdampfervorrichtung 1 gezeigt. Die Verdampfervorrichtung 1 umfasst mindestens einen Verdampfer 3, der auch als Verdampferchip bezeichnet werden kann. Der Verdampfer 3 besteht vorteilhaft aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise dotiertes Silizium, dotierte Keramik, Metall-Keramik, Filter-Keramik, Halbleiter, insbesondere Germanium, Graphit, Halbmetall und/oder Metall. Beispielsweise kommen als Metall Platin, Wolfram, Nickel-Zirkonium, Konstantan und/oder eine geeignete Heizleiterlegierung für den Verdampfer 3 in Betracht. Es ist nicht erforderlich, dass der gesamte Verdampfer 3 aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Es kann beispielsweise ausreichen, dass die Oberfläche des Verdampfers 3 elektrisch leitend, beispielsweise metallisch, beschichtet ist, beispielsweise mit einer vorzugsweise 100 nm bis 300 nm dicken Metallschicht durch Sputtern. Der Verdampfer 3 kann resistiv beheizbar sein und gleichzeitig über eine Widerstandsmessung eine Information über die Verdampfungstemperatur und/oder den Benetzungszustand bereitstellen.
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Der Verdampfer 3 ist mit einer Mehrzahl von Mikrokanälen 62 versehen, die eine Einlassseite 61 des Verdampfers 3 mit einer Auslassseite 64 flüssigkeitsleitend verbinden.
Die Einlassseite 61 ist über eine Flüssigkeitszuleitung 203 flüssigkeitsleitend zur Versorgung des Verdampfers 3 mit einem Flüssigkeitsspeicher 18 verbindbar, siehe 4 bis 6, 8 und 9. Die Flüssigkeitszuleitung 203 verläuft im Wesentlichen in Querrichtung zu einer Dampfaustrittsrichtung des Verdampfers 3 in dem Träger 200 zu dem Verdampfer 3, siehe 2A und 2B.
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Die Flüssigkeitsleitung erfolgt über die Flüssigkeitszuleitung 203 kapillar. Die Kapillarkräfte agieren als Antriebskräfte für eine laminare Kanalströmung. Die Kapillarkräfte ergeben sich durch die Mehrschichtanordnung 204 beziehungsweise die Geometrie, insbesondere die Höhe, der Flüssigkeitszuleitung 203. Die Höhe der Flüssigkeitszuleitung 203 kann beispielsweise der Abstand zweier Polymerfolien 201a, 201b, 201c sein. Beispielsweise hat die Flüssigkeitszuleitung 203 eine Höhe von wenigstens 150 µm, vorteilhaft wenigstens 160 µm, beispielsweise wenigstens 175 µm.
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Die Anzahl der Mikrokanäle 62 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen vier und 1000, kann aber bis zu 24000 betragen. Auf diese Weise lässt sich der Wärmeeintrag in die Mikrokanäle 62 optimieren und eine gesicherte hohe Verdampfungsleistung sowie eine ausreichend große Dampfaustrittsfläche realisieren.
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Die Mikrokanäle 62 sind in Form eines quadratischen, rechteckigen, vieleckigen, runden, ovalen oder anders geformten Arrays angeordnet. Das Array kann in Form einer Matrix mit s Spalten und z Zeilen ausgebildet sein, wobei s vorteilhaft im Bereich zwischen 2 und 50 und weiter vorteilhaft im Bereich zwischen 3 und 30 und/oder z vorteilhaft im Bereich zwischen 2 und 50 und weiter vorteilhaft im Bereich zwischen 3 und 30 liegt. s kann auch im Bereich von 70 bis 250 und/oder z im Bereich von 20 bis 100 liegen. Auf diese Weise lässt sich eine effektive und auf einfache Weise herstellbare Anordnung der Mikrokanäle 62 mit gesichert hoher Verdampfungsleistung realisieren.
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Der Querschnitt der Mikrokanäle 62 kann quadratisch, rechteckig, vieleckig, rund, oval oder anders geformt sein, und/oder sich in Längsrichtung abschnittweise ändern, insbesondere vergrößern, verkleinern oder konstant bleiben.
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Die Länge eines oder jedes Mikrokanals 62 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 100 µm und 1000 µm, weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 150 µm und 750 µm, noch weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 180 µm und 500 µm und beträgt beispielsweise 200 µm bis 300 µm. Auf diese Weise lässt sich eine optimale Flüssigkeitsaufnahme und Portionsbildung bei ausreichend gutem Wärmeeintrag von dem Verdampfer 3 in die Mikrokanäle 62 realisieren.
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Das Aspektverhältnis der Mikrokanäle 62, d.h. die Länge der Mikrokanäle 62 geteilt durch den mittleren Durchmesser der Mikrokanäle 62, liegt beispielsweise im Bereich zwischen 5 und 50, vorzugsweise im Bereich zwischen 10 und 25, weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 13 und 20.
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Der Abstand zweier Mikrokanäle 62 beträgt vorzugsweise mindestens das 1,3-fache des lichten Durchmessers eines Mikrokanals 62, wobei der Abstand auf die Mittelachsen der beiden Mikrokanäle 62 bezogen ist. Der Abstand kann bevorzugt das 1,5- bis 5-fache, weiter bevorzugt das 2- bis 4-fache des lichten Durchmessers eines Mikrokanals 62 betragen. Auf diese Weise lässt sich ein optimaler Wärmeeintrag in die Mikrokanäle und eine ausreichend stabile Anordnung und Wandstärke der Mikrokanäle realisieren.
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Die Verdampfervorrichtung 1 weist eine vorzugsweise von der Steuerungsvorrichtung 29 steuerbare Heizspannungsquelle auf, die über Elektroden 72 an gegenüberliegenden Seiten des Verdampfers 3 mit diesem verbunden ist, so dass eine von der Heizspannungsquelle erzeugte elektrische Spannung zu einem Stromfluss durch den Verdampfer 3 führt. Aufgrund des Ohm'schen Widerstands des elektrisch leitenden Verdampfers 3 führt der Stromfluss zu einer Erhitzung des Verdampfers 3 und daher zu einer Verdampfung von in den Mikrokanälen 62 enthaltener Flüssigkeit. Auf diese Weise erzeugter Dampf/Aerosol 6 entweicht zur Auslassseite 64 aus den Mikrokanälen 62 und wird dem Luftstrom 5 beigemischt, siehe 1. Genauer steuert bei Feststellung eines durch Ziehen des Konsumenten verursachten Luftstroms 5 durch den Luftkanal 30 die Steuerungsvorrichtung 29 die Heizspannungsquelle an, wobei durch spontane Erhitzung die in den Mikrokanälen 62 befindliche Flüssigkeit in Form von Dampf/Aerosol 6 aus den Mikrokanälen 62 getrieben wird.
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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Der Verdampfer 3 kann vorteilhaft aus Teilstücken eines Wafers mit Dünnfilmschichttechnologie hergestellt werden, welcher eine Schichtdicke von vorzugsweise kleiner oder gleich 1000 µm, weiter vorzugsweise kleiner oder gleich 750 µm, noch weiter vorzugsweise kleiner oder gleich 500 µm, beispielsweise 200 µm, aufweist.
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Die Verdampfervorrichtung 1 ist so eingestellt, dass eine Flüssigkeitsmenge vorzugsweise 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 Verdampfervorrichtung 1 hinsichtlich der Flüssigkeits-/Dampfmenge pro Zug einstellbar sein.
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Die Verdampfervorrichtung 1 umfasst eine Mehrschichtanordnung 204. Die Mehrschichtanordnung 204 umfasst mehrere flexible Folien 201a, 201b, 201c. Die Mehrschichtanordnung 204 umfasst eine äußere Folie 201a, eine mittlere Folie 201b und eine innere Folie 201c.
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Beispielhaft umfasst die Mehrschichtanordnung 204 wenigstens fünf Schichten, siehe 2B: eine innere Polymerfolie 201c als Unterseite 207, eine erste Verbindungsschicht 225, eine mittlere Polymerfolie 201b, eine zweite Verbindungsschicht 224 und eine äußere Polymerfolie 201a als Oberseite 202, wobei die Flüssigkeitszuleitung 203 zwischen der mittleren Folie 201b und der inneren Folie 201c angeordnet ist.
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Die Verbindungsschichten 224, 225 können UV-härtende Acrylatkleber, Epoxidmaterial, ein Fluorpolymer-basierter Klebstoff und/oder andere geeignete Verbindungsmaterialen für Folien sein. Insbesondere können die Verbindungsschichten 224, 225 aus einem anderen Material als die Polymerfolien 201a, 201b, 201c bestehen. Die Verbindungsschichten 224, 225 sind der besseren Übersicht halber in 2A nicht gezeigt.
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Die äußere Polymerfolie 201a weist eine Durchgangsöffnung 223 auf. Die Durchgangsöffnung 223 ist so angeordnet, dass die Auslassseiten 64 der Mikrokanäle 62 des Verdampfers 3 im montierten Zustand nicht durch die äußere Polymerfolie 201a überdeckt und/oder verschlossen sind. Die Durchgangsöffnung 223 ist vorteilhaft kleiner als der Verdampfer 3, um die Befestigung des Verdampfers 3 in der Mehrschichtanordnung 204 zu begünstigen. Die Mehrschichtanordnung 204 bildet somit einen Träger 200 zur Halterung des Verdampfers 3, insbesondere im Bereich der Durchgangsöffnung 223, aus. Eine vorteilhafte Montageposition des Verdampfers 3 ist in der 2A durch eine gestrichelte Linie um die Durchgangsöffnung 223 der äußeren Polymerfolie 201a angedeutet.
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Die Durchgangsöffnung 223 ist vorzugsweise von der zweiten Verbindungsschicht 224 umfänglich umgeben. Vorteilhaft kontaktiert die zweite Verbindungsschicht 224 die äußere Polymerfolie 201a auf der der mittleren Polymerfolie 201b zugewandten Seite der äußeren Polymerfolie 201a. Die zweite Verbindungsschicht 224 kann die Fixierung des Verdampfers 3 unterstützen.
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In einer exemplarischen Ausgestaltung weist die mittlere Polymerfolie 201b vorteilhaft eine Aussparung 226 auf, siehe 2A. Im montierten Zustand kann die Aussparung 226 eine Flüssigkeitszuleitung 203 ausbilden, siehe 2B, wobei die Flüssigkeitszuleitung 203 in diesem Beispiel von der inneren Polymerfolie 201c, der Aussparung 226 der mittleren Polymerfolie 201b und der ersten Verbindungsschicht 225 bewandet beziehungsweise begrenzt ist. Die Aussparung 226 ist vorzugsweise von der ersten Verbindungsschicht 225 umfänglich umgeben. Vorteilhaft kontaktiert die erste Verbindungsschicht 225 die innere Polymerfolie 201c auf der der mittleren Polymerfolie 201b zugewandten Seite der inneren Polymerfolie 201c. Die erste Verbindungsschicht 225 kann die Leckagefreiheit beziehungsweise Dichtigkeit der Flüssigkeitszuleitung 203 unterstützen. Vorteilhaft unterstützen die erste Verbindungsschicht 225 und die zweite Verbindungsschicht 224 die Abdichtung der Flüssigkeitszuleitung 203.
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Die innere Polymerfolie 201c weist in der exemplarischen Ausgestaltung Flüssigkeitseinlassöffnungen 215 zum Einlassen von zu verdampfender Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsspeicher 18 auf.
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Wie in 2B ersichtlich, liegt der Verdampfer 3 auf der mittleren Folie 201b auf und wird in Richtung der Durchgangsöffnung 223 in der äußeren Polymerfolie 201a durch die äußere Polymerfolie 201a gehalten und/oder teilweise abgedeckt, wobei vorteilhaft keine Mikrokanäle 62 abgedeckt werden. Zwischen der inneren Folie 201c und dem Verdampfer 3 gibt es vorteilhaft keinen Kontakt.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Verdampfervorrichtung 1 mit einem flachen und biegbaren Folien-Substrat als Träger 200, bestehend aus mehreren Polymer-Lagen 201 zur Ausbildung von Flüssigkeitszuleitungen 203 beziehungsweise Mikrokanälen, zur Versorgung von Verdampfern 3a, 3b mit Flüssigkeit 2. Die Verdampfervorrichtung 1 umfasst den Träger 200 und eine Mehrschichtanordnung beziehungsweise einen Folienstapel 204, oder der Träger 200 kann durch eine Mehrschichtanordnung beziehungsweise einen Folienstapel 204 ausgebildet sein. Die Verdampfervorrichtung 1 umfasst in diesem Beispiel zwei elektrische Verdampfer 3a, 3b zum Verdampfen von den Verdampfern 3a, 3b zugeführter Flüssigkeit 2, wobei die Verdampfer 3a, 3b auf eine Oberseite 202 der flexiblen Folie 201 aufgebracht sind. Die Verdampfer 3a, 3b sind beispielsweise auf der Oberseite 202 eingesetzt, um kosteneffektiv auf ein Verdampfergehäuse verzichten zu können. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Verdampfervorrichtung 1 einen Verdampfer 3 oder mehr als zwei Verdampfer 3a, 3b umfassen.
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In 3 ist zwischen der Oberseite 202 und einer Unterseite 207 des Trägers 200 wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung 203 zur Versorgung der Verdampfer 3a, 3b mit Flüssigkeit 2 angeordnet, wie in 4 bis 6 und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert. Der Träger 200 mit der Flüssigkeitszuleitung 203 dient der fluidischen Anbindung der Verdampfer 3a, 3b zur Versorgung der Verdampfer 3a, 3b mit Flüssigkeit 2. Die Oberseite 202 in 3 kann durch eine andere flexible Folie 201 der Mehrschichtanordnung beziehungsweise des Folienstapels 204 gebildet sein als eine die Unterseite 207 bildende flexible Folie 201.
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Bei Verwendung der Verdampfer 3a, 3b mit rechteckigen Grundflächen und jeweils zwei kurzen Seiten und zwei langen Seiten, wie in 3 zu sehen, sind die Flüssigkeitszuleitungen 203 vorteilhaft jeweils einer oder beiden langen Seiten der Verdampfer 3a, 3b zugeordnet, um eine effektive Fluidversorgung zu gewährleisten. D.h. die Strömungsrichtung der Flüssigkeit 2 ist jeweils senkrecht zu den langen Seiten der Verdampfer 3a, 3b. Flüssigkeitsdicht können die Seiten der Verdampfer 3a, 3b beispielsweise durch Epoxidkleber oder eine Silikonvergussmasse abgedichtet werden.
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Der Träger 200 beziehungsweise die Mehrschichtanordnung 204 weist auf der Oberseite 202 (4 und 5) oder an der Unterseite 207 (6) eine Mehrzahl von Flüssigkeitseinlassöffnungen 215 auf. Durch die Flüssigkeitseinlassöffnungen 215 kann Flüssigkeit 2 aus einem beispielhaft in 4 bis 6 gezeigten Flüssigkeitsspeicher 18 in die Flüssigkeitszuleitungen 203 eintreten und zu den Verdampfern 3a, 3b transportiert werden.
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Die in 3 gezeigte Verdampfervorrichtung 1 ist vorteilhaft flexibel, so dass die Verdampfervorrichtung 1 zu den in den 4 bis 6, 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispielen aufgerollt werden kann, während in 3 eine Darstellung der Verdampfervorrichtung 1 in einer planaren Konfiguration zu sehen ist. Der vorteilhaft flexible Träger 200 beziehungsweise die flexible Mehrschichtanordnung 204 ermöglicht die Anordnung der Verdampfervorrichtung in verschiedenartigen Kartuschen 17.
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Auf der flexiblen Folie 201 sind elektrische Verbindungselemente 213 zur elektrischen Verbindung der Verdampfervorrichtung 1 mit einem externen Teil, beispielsweise einer elektronischen Steuerungsvorrichtung 29 und/oder einer Temperaturregelungsvorrichtung 290, aufgebracht. Die elektrische Verbindungselemente 213 dienen vorteilhaft der elektrischen Anbindung der Verdampfer 3a, 3b zur Versorgung der Verdampfer 3a, 3b mit elektrischem Strom. Die elektrischen Verbindungselemente 213 können Leiterbahnen umfassen und Kontakte, die für die elektrische Kontaktierung der Verdampfer 3a, 3b geeignet sind. Die elektrischen Verbindungselemente bestehen beispielsweise aus Kupfer, Gold und/oder anderen geeigneten, elektrisch leitenden Materialien.
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Bei Verwendung der Verdampfer 3a, 3b mit rechteckigen Grundflächen und jeweils zwei kurzen Seiten und zwei langen Seiten, wie in 3 zu sehen, sind die elektrischen Verbindungselemente 213 vorteilhaft jeweils einer oder beiden kurzen Seiten der Verdampfer 3a, 3b zugeordnet, um eine effektive elektrische Kontaktierung zu gewährleisten.
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Der Träger 200 unterstützt die mechanische, thermische, elektrische und/oder fluidische Anbindung der Verdampfer 3a, 3b.
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Der Träger 200 kann durch die Arbeitsschritte Laminieren, Beschichten mit dünnen Filmen mit einer Dicke von weniger als 1 µm, Siebdruck von Dickschichten, UV Lithografie, Metallisieren (Sputtern, Aufdampfen), Galvanik, nasschemischen Ätzen, Plasmaätzen und/oder Laserbearbeitung hergestellt sein.
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4 bis 6 zeigen je einen Schnitt durch eine Verbrauchseinheit 17, umfassend eine Verdampfervorrichtung 1 mit einer Mehrschichtanordnung 204 und einem mit der Verdampfervorrichtung 1 flüssigkeitsleitend verbundenen Flüssigkeitsspeicher 18. Die Ausführungsbeispiele der 4 bis 6 sind betriebsfertige Ausführungsformen. Die Mehrschichtanordnungen 204 umfassen je mehrere flexible Folien 201a, 201b, 201c. Die Mehrschichtanordnungen 204 umfassen je eine äußere Folie 201a, eine mittlere Folie 201b und eine innere Folie 201c.
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Die Flüssigkeitszuleitungen 203 erstrecken sich parallel zu den flexiblen Folie 201a, 201b, 201c beziehungsweise in und/oder parallel zur Folienebene, so dass die Strömungsrichtung der in der Flüssigkeitszuleitung 203 zugeführten Flüssigkeit 2 parallel zu der flexiblen Folie 201b, 201c verläuft. In diesen Beispielen ist die Flüssigkeitszuleitung 203 zwischen der inneren Folie 201c und der mittleren Folie 201b (4 und 5) oder zwischen der mittleren Folie 201 b und der äußeren Folie 201a (6) angeordnet. D.h. die Flüssigkeitszuleitung 203 ist durch die Unterseite 207 der Mehrschichtanordnung 204 beziehungsweise die mittlere Folie 201b und die Oberseite 202 der Mehrschichtanordnung 204 beziehungsweise die innere Folie 201c (4 und 5) oder der äußeren Folie 201a ( 6) ausgebildet. Die Verdampfer 3a, 3b (4 und 5) oder der Verdampfer (3) kontaktieren jeweils die mittlere Folie 201 und die innere Folie 201c (4 und 5) oder die äußere Folie 201a (6). Die innere Folie 201c (4 und 5) oder die äußere Folie 201a (6) weist eine Durchgangsöffnung 223 auf, an welcher die Verdampfer 3a, 3b (4 und 5) oder der Verdampfer (3) fixiert sind oder ist.
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Wie in 4 und 5 ersichtlich, liegt der Verdampfer 3 auf der mittleren Folie 201b auf und wird in Richtung einer Durchgangsöffnung 223 der inneren Polymerfolie 201c durch die innere Polymerfolie 201c gehalten und/oder teilweise abgedeckt, wobei vorteilhaft keine Mikrokanäle 62 abgedeckt werden. Zwischen der äußeren Folie 201a und den Verdampfern 3a, 3b gibt es vorteilhaft keinen Kontakt.
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Beispielhaft umfasst der Träger 200 beziehungsweise die Mehrschichtanordnung 204 wenigstens fünf Schichten: eine innere Polymerfolie 201c als Oberseite 202, eine erste Verbindungsschicht 224, eine mittlere Polymerfolie 201b, eine zweite Verbindungsschicht 225 und eine äußere Polymerfolie 201a als Unterseite 207, wobei die Flüssigkeitszuleitung 203 zwischen der mittleren Folie 201b und der inneren Folie 201c angeordnet ist.
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Die Flüssigkeitszuleitung 203 erstreckt sich von dem Flüssigkeitsspeicher 18 bis zu den Verdampfern 3a, 3b. Die Flüssigkeitszuleitung 203 erstreckt sich bis zu einem Leitungsende 211, wobei die Verdampfer 3a, 3b eine Einlassseite 61 zur Aufnahme von Flüssigkeit 2 aufweisen, und die Einlassseite 61 mit dem Leitungsende 211 der Flüssigkeitszuleitung 203 korrespondiert.
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Beispielsweise kann die Verdampfervorrichtung 1, wie in 4 und 5 gezeigt, aufgerollt um einem hohlzylinderförmigen Flüssigkeitsspeicher 18 angeordnet sein, wobei der Träger 200 beziehungsweise die Mehrschichtanordnung 204, genauer die innere Folie 201c, eine Seite beziehungsweise Wand des Flüssigkeitsspeichers 18 ausbildet und im Flüssigkeitsspeicher 18 innenliegend ein Luftkanal 30 zur Aerosolführung vorgesehen ist.
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In 4 und 5 weist die inneren Folie 201c Flüssigkeitseinlassöffnungen 215 auf. Durch die Flüssigkeitseinlassöffnungen 215 kann Flüssigkeit 2 aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 in die Flüssigkeitszuleitung 203 eintreten und mittels Kapillarkräften zu den Verdampfern 3a, 3b transportiert werden. Die Kapillarkräfte in den Flüssigkeitszuleitungen 203 agieren als Antriebskraft für eine vorzugsweise laminare Strömung in der Flüssigkeitszuleitung 203 beziehungsweise im Folienkanal mit beispielsweise Polyimid als benetztem Material. Die Verdampfer 3a, 3b nehmen die Flüssigkeit 2 aus der Flüssigkeitszuleitung 203 beziehungsweise den Leitungsende 211 an ihrer Einlassseite 61 auf. Die Verdampfer 3a, 3b verdampfen zugeführte Flüssigkeit 2 und geben Dampf 6 in Richtung einer Dampfaustrittsrichtung I in eine Verdampfungskammer 60, aus welcher Dampf/Aerosol 6 mit dem Luftstrom 5 entlang des Luftstrom 5 transportiert werden kann.
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Die Dampfaustrittsrichtung I steht in diesem Beispiel senkrecht auf einer Auslassseite 64 der Verdampfer 3a, 3b, also senkrecht auf der der Verdampfungskammer 60 zugewandten Seite der Verdampfer 3a, 3b. Die Auslassseite 64 ist parallel zu einer Luftströmungsrichtung II des Luftstroms 5. Somit steht die Dampfaustrittsrichtung I im Wesentlichen senkrecht auf der Luftströmungsrichtung II, um einen vorteilhaften Transport von verdampfter Flüssigkeit beziehungsweise Aerosol 6 von der Auslassseite 64 in die Verdampfungskammer 60 und/oder in den Luftstrom 5 zu gewährleisten. Dies ermöglicht eine effektive Zugabe von verdampfter Flüssigkeit beziehungsweise Aerosol 6 in den Luftstrom 5.
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Die Flüssigkeitszuleitung 204 verläuft im Wesentlichen in Querrichtung zu der Dampfaustrittsrichtung I innerhalb des Trägers 200, was eine effektive Anordnung von Verdampfern 3a, 3b, Flüssigkeitszuleitung 204 und Flüssigkeitsspeicher 18 ermöglicht.
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Die Mehrschichtanordnung 204 kann zu einem zylindrischen Teil zusammengerollt sein und/oder einen wie in den 4 und 5 gezeigten symmetrischen Querschnitt aufweisen. Die Mehrschichtanordnung 204 erstreckt sich längs einer Längsachse. Senkrecht zur der Längsachse sind die flexiblen Folien 201c, 201b, 201a von innen nach außen angeordnet. Entlang der Längsachse ist im Inneren der Mehrschichtanordnung 204 beziehungsweise zwischen der äußeren Folie 201a und der inneren flexiblen Folie 201c ein Luftkanal 30 gebildet. Durch den Luftkanal 30 kann ein Luftstrom 5 strömen, der aus der Verdampfungskammer 60 Dampf/Aerosol 6 aufnimmt und aus der Verdampfervorrichtung 1 in Richtung einer in 1 gezeigten Luftauslassöffnung 24 eines Inhalators 27 transportiert.
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In dem in 5 gezeigten Beispiel ist eine Abtrennung 217 und eine Dichtung 216 vorgesehen. Die Abtrennung 217 ist zwischen den Verdampfern 3a, 3b und dem Flüssigkeitsspeicher 18 angeordnet. Durch die Abtrennung 217 kann eine freie Liquidoberfläche reduziert und/oder vermieden werden. Die Abtrennung 217 wirkt insofern vorteilhaft wie ein vorzugsweise beweglicher Kolben, der an den Füllstand des Flüssigkeitsspeichers 18 anpassbar ist. Die Abtrennung 217 kann als Dichtung für den Flüssigkeitsspeicher 18 dienen.
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Die Dichtung 216 ist den Verdampfern 3a, 3b zugeordnet und dichtet eine Durchgangsöffnung 223 der inneren Folie 201c beziehungsweise der Oberseite 202, in die die Verdampfer 3a, 3b eingesetzt sind, flüssigkeitsdicht ab, um eine Leckage um die Verdampfer 3a, 3b zu vermeiden und eine Kolbenbewegung der Abtrennung 217 zu ermöglichen. Damit kann eine Bewegung der Abtrennung 217 bei einem sich ändernden Füllstand des Flüssigkeitsspeichers 18 ermöglicht werden.
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Die äußere Folie 201a kann beispielsweise eine stabile Folie oder ein formfester Kunststoff sein und/oder einen Gehäusesteil 218 der Verdampfervorrichtung 1 bilden.
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6 zeigt eine den 2A und 2B entsprechende Ausführungsform der Verdampfervorrichtung 1, deren Unterschiede unter Bezugnahme auf die 4 und 5 und deren Beschreibung dargelegt wird. In 6 ist der Träger 200 beziehungsweise die Mehrschichtanordnung 204 aufliegend auf dem Flüssigkeitsspeicher 18 angeordnet. Die flexible Folie 201c liegt auf dem Flüssigkeitsspeicher 18 auf. In der flexiblen Folie 201c sind nicht gezeigte Öffnungen vorgesehen, die die Flüssigkeit 2 weiter zu Flüssigkeitseinlassöffnungen 215 der mittleren flexiblen Folie 201b und durch die mittlere flexible Folie 201b in die Flüssigkeitszuleitung 203 transportiert. Die Flüssigkeitszuleitung 203 verläuft zwischen der mittleren Folie 201b, die die Kanalgeometrie definiert, und der flexiblen Folie 201a. Ein Gehäuseteil 218 ist zur Ummantelung der Mehrschichtanordnung beziehungsweise des Folienstapels 204 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Mehrschichtanordnung 204 zu einem Zylinder aufgerollt, der parallel zu der Luftströmungsrichtung II eine Längsachse aufweist. In 6 ist, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, nur eine Hälfte der beispielsweise symmetrischen Verdampfervorrichtung 1 dargestellt. Ein Querschnitt durch die zylindrische Verdampfervorrichtung 1 ist in 9 gezeigt.
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7 zeigte eine Temperaturregelungsvorrichtung 290 zur Regelung der Temperatur eines Verdampfers 3, 3a, 3b, 3c beziehungsweise einer Verdampfervorrichtung 1. Beispielsweise kann die in 1 gezeigte elektronische Steuerungsvorrichtung 29 die Temperaturregelungsvorrichtung 290 umfassen und/oder mit dieser in einer Wirkverbindung stehen.
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Die Temperaturregelungsvorrichtung 290 in 7 umfasst einen Transistor 301, einen Mikrokontroller 300, eine Regelungsvorrichtung 311 und optional einen Transistor-Treiber 302 und einen Messwiderstand 303. Die Temperaturregelungsvorrichtung 290 ist vorzugsweise mit einer Stromversorgungseinrichtung 314 elektrisch verbunden. Die Stromversorgungseinrichtung 314 kann mit dem in 1 gezeigten Energiespeicher 26 in elektrischer Verbindung stehen und/oder von diesem umfasst sein.
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Der in 7 gezeigte Mikrokontroller 300 empfängt ein Soll-Signal 310, das beispielsweise eine Solltemperatur und/oder einen Sollwiderstand kodiert. Das Sollsignal 310 wird als Eingabe an die Regelungsvorrichtung 311 übermittelt. Die Regelungsvorrichtung 311 vergleicht das Sollsignal 310 mit einem Ist-Signal, beispielsweise einer Ist-Temperatur und/oder eines Ist-Widerstandes des Verdampfers 3, 3a, 3b, 3c und/oder einer Messsonde. Die Regelungsvorrichtung 311 übermittelt eine Stellwertausgabe 312 an eine Pulsweitenmodulierungssteuerungseinheit 313, die auch von dem Mikrokontroller 300 umfasst sein kann. Die Stellwertausgabe 312 wird von der Pulsweitenmodulierungssteuerungseinheit 313 verarbeitet, um eine Schaltdauer des Transistors 301 zu ermitteln. Das Ergebnis der Pulsweitenmodulierungssteuerungseinheit 313 wird an den Transistortreiber 302 übermittelt, welcher den Transistor 301 entsprechend der ermittelten Schaltdauer steuert beziehungsweise regelt. Alternativ kann das Ergebnis der Pulsweitenmodulierungssteuerungseinheit 313 direkt den Transistor 301 übermittelt werden. Das Schalten des Transistors 301 impliziert ein Schalten des Verdampfers 3, 3a, 3b, 3c. Bei einem Schalten des Transistors 301 kann somit die Beheizung des Verdampfer 3, 3a, 3b, 3c an- oder ausgeschaltet werden. Somit korrespondiert die ermittelte Schaltdauer des Transistors 301 mit der Schaltdauer und der Heizdauer des Verdampfers 3, 3a, 3b, 3c.
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Vorzugsweise ist die Regelungsvorrichtung 311 ein pd-Regler.
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Der Messwiderstand 303 ist vorteilhaft ein Strom-Messwiderstand. Zur Widerstandsberechnung wird vorteilhaft sowohl die Spannung am Verdampfer 3, 3a, 3b, 3c als auch am Messwiderstand 303 aufgezeichnet, um eine hohe Messauflösung der Ist-Temperatur im Vergleich zu einer Schaltung, die den Widerstand des Transistors 301 zugrunde legt, zu ermöglichen. Der Messwiderstand 303 hat vorzugsweise einen Widerstand von R_M < 0.5 Ω, weiter vorzugsweise von R_M < 0.25 Ω, beispielsweise R_M = 0.1 Ω.
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Die Verdampfervorrichtung 1 mit der Temperaturregelungsvorrichtung 290 kann als Aerosoldosiersystem bezeichnet werden. Die Verdampfervorrichtung 1 legt beispielsweise durch die verwendeten Verdampfer 3, 3a, 3b, 3c die maximale Verdampferleistung fest, wobei die Verdampferleistung von der Temperaturregelungsvorrichtung 290 regelbar ist. Die Verdampferleistung hängt mit der Aerosoldosierung zusammen. Das Aerosoldosiersystem umfasst Temperaturregelungsvorrichtung 290 zur Steuerung der Heizleistung und Überwachung der Verdampfungstemperatur durch die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit des Materials der Verdampfer 3, 3a, 3b, 3c. Der Verdampfertemperatur ist unabhängig vom Medium beziehungsweise Substrat durch eine Widerstandsregelung regelbar. Somit kann der Verdampfer 3, 3a, 3b, 3c über seinen temperaturabhängigen Widerstand und/oder über eine aufgebrachte Metallschicht regelbar auf eine Zieltemperatur beziehungsweise Solltemperatur geheizt werden.
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8 zeigt eine schematische Darstellung des Umschlagens eines flexiblen Trägers 200 beziehungsweise Folienstapels 204 und stellt eine Verdampfervorrichtung 1a, 1b in zwei verschiedenen Anordnungen dar. Die gestrichelten Linien deuten an, dass sich der Träger 200 noch weiter als dargestellt erstrecken kann.
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Die Verdampfervorrichtung 1a in einer ersten Anordnung weist einen im Wesentlichen planaren Träger 200 mit auf einer Oberseite 202 des Trägers 200 angeordneten Verdampfern 3a, 3b, 3c auf.
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Auf der Oberseite 202 ist ein Verbindungsabschnitt 222 angeordnet. Der Verbindungsabschnitt 222 ist zwischen einem flexiblen Trägerabschnitt 220 und einem verdampferseitgen Trägerteil 221 angeordnet. Der Träger 200 ist im Wesentlichen als flexible Folie 201, 201a, 201b, 201c ausgebildet, wobei in diesem Beispiel wenigstens der flexible Trägerabschnitt 220 flexibel, insbesondere aufrollbar, ist. Das verdampferseitige Trägerteil 221 kann beispielsweise starrer sein als der flexible Trägerabschnitt 220 und/oder der verdampferseitige Trägerteil 221 kann starre Aufnahmeelemente für die an und/oder auf dem verdampferseitigen Trägerteil 221 angeordneten Verdampfer 3a, 3b, 3c umfassen. Das verdampferseitige Trägerteil 221 und der flexible Trägerabschnitt 220 können auch aus dem gleichen Bauteil sein, flexibel sein und/oder gleiche Eigenschaften aufweisen. Der Träger 200 ist wenigstens teilweise als eine Mehrschichtanordnung beziehungsweise ein Folienstapel 204 ausgebildet und weist eine der Oberseite 202 gegenüberliegende Unterseite 207 auf.
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Die im Wesentlichen planare Anordnung des Trägers 200 bedeutet, dass die Verdampfervorrichtung 1a beziehungsweise der Träger 200 in der ersten Anordnung frei von sich überschlagenden Falten, Knicken und/oder Ähnlichen ist. Das heißt insbesondere, dass sich die Oberseite 202 und/oder die Unterseite 207 jeweils nicht selbst kontaktiert und/oder dass die Oberseite 202 die Unterseite 207 nicht kontaktiert.
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Das Umschlagen des flexiblen Trägerabschnittes 220 erfolgt entlang einer Umschlagrichtung III. Die Umschlagrichtung III steht in Verbindung mit der Anordnung des Verbindungsabschnittes 222. In diesem Beispiel wird der flexible Trägerabschnitt 220 in Richtung der Oberseite 202 bewegt und soweit umgeschlagen, bis sich die Oberseite 202 im Verbindungsabschnitt 222 selbst kontaktiert. D.h. die Umschlagrichtung III erstreckt sich in Richtung der Oberseite 202.
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In anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann der Verbindungsabschnitt 222 an der Unterseite 207 des Trägers angeordnet sein. In dieser Ausführungsform erfolgt das Umschlagen der flexiblen Trägerabschnittes 220 in Richtung der Unterseite 207, d.h. entgegengesetzt zu der in 8 dargestellten Umschlagrichtung III.
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Nach dem Umschlagen kontaktiert der flexible Trägerabschnitt 220 an dem Verbindungsabschnitt 222 sich selbst und/oder das verdampferseitige Trägerteil 221. Der Kontakt zwischen dem flexiblen Trägerabschnitt 220 mit sich selbst und/oder dem verdampferseitigen Trägerteil 221 ist vorteilhaft flächig an einer Kontaktfläche. Die Kontaktfläche kann schmal sein und im Wesentlichen durch eine Kontaktlinie ausgebildet sein.
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Durch das Umschlagen ist die Verdampfervorrichtung 1a aus ihrer ersten, insbesondere planaren, Anordnung in eine zweite, insbesondere aufgerollte, Anordnung der Verdampfervorrichtung 1b überführt wurden, siehe 8.
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Die Verdampfervorrichtung 1b in der zweiten Anordnung bildet einen Flüssigkeitsspeicher 18 aus, welcher innerhalb des Folienstapels 204 durch die Oberseite 202 des Träger 200 begrenzt und/oder bewandet ist. Der Verbindungsabschnitt 222 ist zwischen den Verdampfern 3a, 3b, 3c und dem Flüssigkeitsspeicher 18 angeordnet.
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Das Volumen des Flüssigkeitsspeichers 18 hängt von einer Länge L des flexiblen Trägerabschnittes 222 und der Krümmung des flexiblen Trägerabschnittes 222 in der zweiten Anordnung der Verdampfervorrichtung 1b ab. Die Länge L ist so zu wählen, dass zwischen der Oberseite 202 ein vorteilhaftes Volumen des Flüssigkeitsspeicher 18 eingeschlossen ist.
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Auf und/oder am dem Verbindungsabschnitt 222 kann beispielsweise ein Kleber vorgesehen sein, um den flexiblen Trägerabschnitt 220 an sich selbst und/oder an dem verdampferseitigen Trägerteil 221, insbesondere flüssigkeitsdicht, zu befestigen. Die, insbesondere flüssigkeitsdichte, Befestigung des flexiblen Trägerabschnittes 220 an sich selbst und/oder an dem verdampferseitigen Trägerteil 221 kann auch durch Schweißen, Klemmen, Kohäsions- und/oder Adhäsionskräfte an der Kontaktfläche und/oder Ähnlichem geschehen.
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9 zeigt einen Querschnitt durch die Verbrauchseinheit 17 gemäß 6, wobei zur Vereinfachung die einzelnen flexiblen Folien 201a, 201b, 201c durch eine Darstellung einer flexiblen Folie 201 ersetzt wurde und die Flüssigkeitszuleitungen 203 nicht dargestellt sind. In 9 ist der Folienstapel 204 zu einem Zylinder gerollt. An der Oberseite 202 des Folienstapels 204 sind die Verdampfer 3a, 3b angeordnet. Die Einlassseiten 61 der Verdampfer 3a, 3b weisen jeweils in Richtung des Flüssigkeitsspeichers 18 beziehungsweise zur Längsachse. Die Auslassseiten 64 der Verdampfer 3a, 3b weisen jeweils zu der Verdampfungskammer 60 beziehungsweise zu dem senkrecht zur Bildebene verlaufenden Luftkanal 30.
