DE102019113645A1

DE102019113645A1 - Verfahren zur Regelung der Verdampfung eines Verdampfers in einem Inhalator

Info

Publication number: DE102019113645A1
Application number: DE102019113645.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Jaklin; Uwe Pelz; Muhannad Ghanam; Peter Woias; Eiko Bäumker; Anjan Bhat Kashekodi; Frank Goldschmidtböing
Original assignee: Hauni Maschinenbau GmbH
Current assignee: Koerber Technologies GmbH
Priority date: 2019-05-22
Filing date: 2019-05-22
Publication date: 2020-11-26
Anticipated expiration: 2039-05-23
Also published as: EP3972435B1; WO2020234251A1; CN113825422A; KR20220011178A; EP3972435A1; DE102019113645B4; US20220218039A1; JP2022533217A

Abstract

Ein Verfahren zur Regelung der Verdampfung eines Verdampfers (60) in einem Inhalator (10), wobei der Verdampfer (60) mittels elektrischer Widerstandsheizung geheizt wird, und wobei eine elektronische Steuerungseinrichtung (15) den Stromfluss durch den Verdampfer (60) regelt, umfasst folgende Schritte: Feststellung eines Anfangspunktes (110) entsprechend dem Beginn eines Zuges durch einen Konsumenten; zeitlich aufeinanderfolgendes Aufnehmen von Messwerten (108) des an dem Verdampfer (60) anliegenden Stroms ab dem Anfangspunkt (110); Bestimmung eines Übergangspunkts (101) zwischen einem Bereich geringer Verdampfung und einem Bereich hoher Verdampfung in einer den Messwerten (108) entsprechenden zeitabhängigen Strommessreihe (100); Ermittlung eines dem Übergangspunkt (101) entsprechenden Stromwerts Iv; Festlegen eines Stromintervalls [I1; I2] in Abhängigkeit von dem ermittelten Stromwert Iv; und Regelung des Stromflusses innerhalb des festgelegten Stromintervalls [I1; 12].

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Regelung der Verdampfung eines Verdampfers in einem Inhalator, wobei der Verdampfer mittels elektrischer Widerstandsheizung geheizt wird, und wobei eine elektronische Steuerungseinrichtung den Stromfluss durch den Verdampfer regelt.
Typischerweise wird ein resistiver Verdampfer über ein elektronisches Schaltelement mit einem Energiespeicher elektrisch verbunden, sodass bei geschlossenem Schaltelement die Spannung des Energiespeichers am Verdampfer anliegt und ein Heizstrom fließt. Der Schalter wird üblicherweise durch die elektronische Steuereinrichtung betrieben.
Die Temperatur am Verdampfer wird typischerweise mithilfe eines temperaturabhängigen elektrischen Widerstands des Verdampfers ermittelt. Durch die Beziehung zwischen Temperatur und dem elektrischen Widerstand des Verdampfers kann die Temperatur des Verdampfers gezielt eingestellt werden. Die Temperatur sollte dabei eine durch die zu verdampfende Flüssigkeit bestimmte Temperatur nicht übersteigen, da sonst Schadstoffe entstehen können, insbesondere durch ein Trockenfallen des Verdampfers.
Der Stromkreis eines Verdampfers bzw. Heizers lässt sich vereinfacht als eine Reihenschaltung von elektrischen Widerständen beschreiben. Elemente dieser Reihenschaltung umfassen einen elektrischen Widerstand des Verdampfers (Verdampferwiderstand), einen Batterieinnenwiderstand sowie unerwünschte parasitäre elektrische Widerstände. Die parasitären Widerstände sind beispielsweise durch folgende Widerstände gegeben: einen zu der elektrischen Steuerungseinrichtung gehörigen elektrischen Widerstand, einen Strommesswiderstand, einen elektrischen Widerstand der Zuleitungen, insbesondere durch Verbindungsdrähte, Kupferleitbahnen und/oder Lötstellen und gegebenenfalls einen elektrischen Widerstand einer möglichen Steckverbindung. Der parasitäre Widerstand ist weder zeitlich konstant noch reproduzierbar, da beispielsweise Steckverbindungen je nach Alterungszustand, Verschmutzung und/oder Verformung einen nur mit erheblichem Aufwand messbaren Einfluss auf den parasitären Widerstand haben.
Temperaturmessfehler aufgrund parasitärer Widerstände können zu einer Überhitzung der zu verdampfende Flüssigkeit führen, was zu Blasensieden oder Schadstoffentstehung führen kann. Aufgrund der vielfältigen, durch Messung und parasitäre Ströme bedingten Fehler kann der Verdampfer nur unzureichend mit bekannten Verfahren geregelt werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Verdampfung effektiv und zuverlässig geregelt und eine Überhitzung der zu verdampfende Flüssigkeit sicher vermieden werden kann.
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren folgende Schritte: Zeitlich aufeinanderfolgendes Aufnehmen von Messwerten des an dem Verdampfer anliegenden Stroms ab einem Anfangspunkt. Ab dem Anfangspunkt fließt ein Strom durch den Verdampfer. Durch den Stromfluss und den temperarturabhängigen elektrischen Widerstand des Verdampfers erwärmt sich der Verdampfer. Aufgrund der Erwärmung des Verdampfers verändert sich der temperarturabhängige elektrische Widerstand des Verdampfers.
Die Messung kann vorteilhaft durch eine Bedarfsanforderung eines Benutzers des Inhalators eingeschaltet werden, insbesondere durch ein Ziehen an einer elektronischen Zigarette. Entsprechend kann die Messung nach Beendigung der Anforderung ausgeschaltet werden.
Nachfolgend wird ein Übergangspunkts zwischen einem Bereich geringer und insbesondere bis hin zu keiner Verdampfung und einem Bereich hoher Verdampfung insbesondere während des Konsums in einer den Messwerten entsprechenden zeitabhängigen Strommessreihe bestimmt. Der Übergangspunkt markiert den Zeitpunkt, zu der die Verdampfung eintritt und der Verdampfer nicht wesentlich weiter erwärmt wird. Die Erfindung hat erkannt, dass ab dem Übergangspunkt Verdampfung in einem solchen hohen Maße stattfindet, dass keine oder kaum eine weitere Erwärmung des Verdampfers mehr stattfindet. Die durch den Stromfluss am Verdampfer bereitgestellte Energie wird in Energie zur Verdampfung der Flüssigkeit und nicht oder nur zu geringen Anteilen in die Erwärmung des Verdampfers umgewandelt. Daher ändert sich ab dem Übergangspunkt die Temperatur des Verdampfers in einem geringeren Maß als zu der Zeit vor dem Übergangspunkt. Damit kann der Übergangspunkt in der Strommessreihe als ein Knickpunkt in der Abhängigkeit zwischen Strom und Messpunkt beziehungsweise Zeit verstanden werden. Aus dem Übergangspunkt erfolgt eine Ermittlung eines dem Übergangspunkt entsprechenden Stromwerts I_v , bei dem eine zuverlässige Verdampfung stattfindet. Zur Regelung der Heizleistung über den Stromfluss folgt ein Festlegen eines Stromintervalls [I₁ ; I₂ ] in Abhängigkeit von dem ermittelten Stromwert I_v und eine Regelung des Stromflusses innerhalb des festgelegten Stromintervalls [I₁ ; I₂ ]. Damit kann die Leistung des Verdampfers präzise geregelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Verdampfertemperatur nicht bekannt sein muss und der Wert insbesondere des parasitären elektrischen Widerstands nicht in Echtzeit und für jeden individuellen Verdampfer bestimmt zu werden braucht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist entscheidend, bei welchem jeweiligen Strom beziehungsweise welcher Heizleistung die Verdampfung durch den jeweiligen Verdampfer eintritt. Der Eintritt der Verdampfung wird anhand der Messreihe bestimmt und bestimmt somit den anzulegenden Heizstrom innerhalb des Stromintervalls [I₁ ; I2].
Vorteilhaft wird der Übergangspunkt anhand einer Regression entlang der Strommessreihe ermittelt, um den Übergangspunkt zuverlässig und effektiv bestimmen zu können. Einer Regression liegen eine Mehrzahl von Messwerten zu Grunde, womit Messfehler und/oder statistische Fehler minimiert werden können. Die Regression ist vorteilhaft gegenüber beispielsweise einer Finite Differenzen-Methode, bei der lediglich insbesondere zwei benachbarte Messwerte betrachtet werden und sich so eine Messungenauigkeit besonders stark auf das Ergebnis auswirkt.
Vorzugsweise wird der Übergangspunkts mindestens einer Ausgleichsgeraden und/oder mindestens eines Ausgleichspolynoms an die Strommessreihe ermittelt, um eine numerisch effektive Ermittlung des Übergangspunkts bereitzustellen. Beispielsweise können ein oder mehrere Ausgleichsgeraden und/oder insbesondere quadratische Ausgleichskurven an verschiedenen Messpunkten der Messreihe durch die Regression ermittelt werden. Aus dem zeitlichen Verlauf der zu den Ausgleichsgeraden gehörigen Anstiege beziehungsweise den zu den Ausgleichskurven gehörigen Krümmungen kann der Übergangspunkt ermittelt werden. Die Krümmung kann dabei insbesondere aus einem Koeffizienten eines quadratischen Terms des Ausgleichspolynoms bestimmt werden.
Bevorzugt wird der Übergangspunkt durch einen Sprung und/oder das Erreichen eines Schwellwerts des Anstiegs bzw. der Steigung (1. Ableitung) der Strommessreihe ermittelt, um die Identifizierung des Übergangspunkts weiter zu verbessern. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird dazu der Übergangspunkt durch einen Extremwert der Krümmung der Strommessreihe ermittelt.
Vorzugsweise sind zwei zeitlich aufeinanderfolgende Messwerte weniger als 10 ms, vorzugsweise weniger als 5 ms, weiter vorzugsweise weniger als 2 ms zeitlich voneinander beabstandet, um den Übergangspunkt zeitlich gut auflösen zu können und über die Dauer eines Zuges eine vorteilhafte Anzahl an Messwerten aufnehmen zu können. Dazu werden bevorzugt die aufgenommenen Messwerte wenigstens über 10%, vorteilhaft wenigstens 30%, weiter vorteilhaft wenigstens 50% einer Zuglänge aufgenommen.
Vorteilhaft ist die Länge des Stromintervalls [I₁ ; I₂ ] kleiner als 50%, vorteilhaft kleiner als 25%, weiter vorteilhaft kleiner als 10% des Betrages des Stromwerts I_v , damit der Heizstrom möglichst genau geregelt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die untere Schwelle I₁ und/oder die obere Schwelle I₂ so festgelegt, dass die untere Schwelle kleiner als der Stromwert I_v und/oder der Stromwert I_v kleiner als die obere Schwelle I₂ sind, damit der Heizstrom zuverlässig um den Stromwert Iv in dem Stromintervall [I₁ ; I₂ ] geregelt werden kann. Ist die untere Schwelle I₁ kleiner als der Stromwert I_V , kann ein Trockenfallen des Verdampfers verhindert werden, da der Verdampfer mit einem Strom zwischen der unteren Schwelle I₁ und dem Stromwert I_V nicht verdampft, sondern den Verdampfer und/oder die Flüssigkeit heizt.
Vorzugsweise wird der Stromfluss durch den Verdampfer gepulst, wobei das Tastverhältnis bei Erreichen der unteren Schwelle I₁ von oben erhöht und/oder bei Erreichen der oberen Schwelle I₂ von unten reduziert wird. Damit kann eine Reduktion der Eingangsleistung und eine Verlängerung der Laufzeit einer den Verdampfer mit elektrischem Strom versorgenden Batterie erzielt werden.
Vorteilhaft wird die untere Schwelle I₁ und/oder die obere Schwelle I₂ in Abhängigkeit einer Analyse des durchschnittlichen quadratischen Stroms I^2 über ein definiertes Zeitintervall festgelegt. Fällt der durchschnittlichen quadratischen Strom I^2 unter einen vorgegebenen Schwellwert, der beispielsweise aus der Strommessreihe aus einem Zeitintervall nach dem Anfangspunkt bestimmt werden kann, so ist dies als Zeichen für einen verringerten Kontakt zwischen dem Verdampfer und der Flüssigkeit zu werten. In diesem Fall sollten die untere Schwelle I₁ und/oder die obere Schwelle I₂ zu niedrigeren Strömen verschoben werden.
Bevorzugt wird das Stromintervall [I₁ ; I₂ ] und/oder mindestens eine der Schwellen I₁ ; I₂ im Laufe der Zeit zu niedrigeren Strömen verschoben, um einem Trockenfallen des Verdampfers vorzubeugen. Das Stromintervall [I₁ ; I₂ ] und/oder mindestens eine der Schwellen I₁ ; I₂ können auch an eine vorgegebene Zeitfunktion angepasst werden, um die Verdampfung effektiv kontrollieren zu können und eine Anpassung an Vorgänge der differenziellen Destillation zu ermöglichen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden Daten bezüglich mehrerer zeitabhängiger Strommessreihen in einem Datenspeicher gespeichert und miteinander und/oder mit festen Parametern verglichen. Damit ist es möglich, die im Laufe des Verfahrens angefallenen Strommesswerte und Übergangspunkte zu speichern. Eine automatische Analyse kann beispielsweise untersuchen, zu welchem Zeitpunkt der Verdampfungsstrom Iv erreicht wurde. Wird dieser Zeitpunkt später als ein vorgegebener Schwellwert erreicht, so ist dies ein Hinweis auf einen zu hohen elektrischen Widerstand. Weiterhin kann das durchschnittliche Stromquadrat während des Verdampfungsvorgangs ausgewertet werden. Ist dies niedriger als ein vorgegebener Schwellwert, so kann auf den Verbrauch der Flüssigkeit zurückgeschlossen werden.
Vorzugsweise wird die Umgebungstemperatur gemessen, und das Stromintervall [I₁ ; I₂ ] und/oder wenigstens eine seiner Schwellen I₁ , I₂ wird in Abhängigkeit der gemessenen Umgebungstemperatur festgelegt und/oder angepasst, um mögliche Einflüsse der Umgebungstemperatur berücksichtigt zu können.
Vorteilhaft erfolgt die Regelung des Stromflusses durch ein Einschalten und/oder Beibehalten des Stromflusses durch den Verdampfer bei einem Strom von weniger als einem oberen Schwellwert I₂ , oder Ausschalten des Stromflusses durch den Verdampfer bei einem Strom mehr als einem unteren Schwellwert I₁ , um ein effektives Regelverfahren innerhalb des Stromintervalls [I₁ ; I₂ ] bereitstellen zu können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung eines Inhalators;
2 eine vereinfachte Schaltung zur Stromheizung eines Verdampfers;
3 eine schematische Strommessreihe mit einem ermittelten Übergangspunkt;
4 eine exemplarische Strommessreihe mit einem Übergangspunkt;
5 die Ermittlung eines Übergangspunkts anhand des Anstiegs einer Strommessreihe; und
6 die Ermittlung eines Übergangspunkts anhand der Krümmung einer Strommessreihe.

1 zeigt schematisch einen Inhalator 10 beziehungsweise ein elektronisches Zigarettenprodukt. Der Inhalator 10 umfasst ein Gehäuse 11, in dem ein Luftkanal 30 beziehungsweise Schlot zwischen mindestens einer Lufteinlassöffnung 231 und einer Luftauslassöffnung 24 an einem Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 vorgesehen ist. Das Mundende 32 des Inhalators 10 bezeichnet dabei das Ende, an dem der Konsument zwecks Inhalation zieht, und dadurch den Inhalator 10 mit einem Unterdruck beaufschlagt und einen Luftstrom 34 in dem Luftkanal 30 erzeugt.
Der Inhalator 10 besteht vorteilhaft aus einem Basisteil 16 und einer Verdampfer-Tank-Einheit 20, die eine Verdampfervorrichtung 1 mit einem Verdampfer 60, der durch das erfindungsgemäße Verfahren regelbar ist, und einen Flüssigkeitsspeicher 18 umfasst. Die Verdampfer-Tank-Einheit kann insbesondere in Form einer auswechselbaren Kartusche ausgebildet sein. Der Flüssigkeitsspeicher 18 kann von dem Nutzer des Inhalators 10 nachfüllbar sein. Die durch die Lufteinlassöffnung 231 angesaugte Luft wird in dem Luftkanal 30 zu dem mindestens einen Verdampfer 60 geleitet. Der Verdampfer 60 ist mit dem Flüssigkeitsspeicher 18 verbunden oder verbindbar, in dem mindestens eine Flüssigkeit 50 gespeichert ist. Dazu ist vorteilhaft an einer Einlassseite 61 des Verdampfers 60 ein poröses und/oder kapillares, flüssigkeitsleitendes Element 19 angeordnet.
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 Verdampfer 60 verdampft Flüssigkeit 50, die dem Verdampfer 60 aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 von dem porösen Element 19 mittels Kapillarkräften zugeführt wird und/oder die in dem porösen Element 19 gespeichert ist, und gibt die verdampfte Flüssigkeit als Aerosol/Dampf an einer Auslassseite 64 den Luftstrom 34 zu.
Der Inhalator 10 umfasst des Weiteren einen elektrischen Energiespeicher 14 und eine elektronische Steuerungsvorrichtung 15. Der Energiespeicher 14 ist in der Regel in dem Basisteil 16 angeordnet und kann insbesondere eine elektrochemische Einweg-Batterie oder ein wiederaufladbarer elektrochemischer Akku, beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku, sein. Die Verdampfer-Tank-Einheit 20 ist zwischen dem Energiespeicher 14 und dem Mundende 32 angeordnet.
Die elektronische Steuerungsvorrichtung 15 umfasst mindestens eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung, insbesondere Mikroprozessor und/oder Microcontroller, in dem Basisteil 16 (wie in 1 gezeigt) und/oder in der Verdampfer-Tank-Einheit 20.
In dem Gehäuse 11 ist vorteilhaft ein Sensor, beispielsweise ein Drucksensor oder ein Druck- oder Strömungsschalter, angeordnet, wobei die Steuerungsvorrichtung 15 auf der Grundlage eines von dem Sensor ausgegebenen Sensorsignals feststellen kann, dass ein Konsument am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 zieht, um zu inhalieren. In diesem Fall steuert die Steuerungsvorrichtung 15 den Verdampfer 60 an, um Flüssigkeit 50 aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 als Aerosol/Dampf in den Luftstrom 34 zuzugeben.
Der mindestens eine Verdampfer 60 ist in einem dem Mundende 32 abgewandten Teil der Verdampfer-Tank-Einheit 20 angeordnet. Damit sind eine effektive elektrische Kopplung insbesondere mit dem Basisteil 16 und Ansteuerung des Verdampfers 60 möglich. Der Luftstrom 34 führt vorteilhaft durch einen axial durch den Flüssigkeitsspeicher 18 laufenden Luftkanal 30 zu der Luftauslassöffnung 24.
Die in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicherte, zu dosierende Flüssigkeit 50 ist beispielsweise eine Mischung aus 1,2-Propylenglykol, Glycerin, Wasser, und vorzugsweise mindestens einem Aroma (Flavour) und/oder mindestens einem Wirkstoff, insbesondere Nikotin. Die angegebenen Bestandteile der Flüssigkeit 50 sind jedoch nicht zwingend. Insbesondere kann auf Aroma- und/oder Wirkstoffe, insbesondere Nikotin, verzichtet werden.
In 2 ist eine schematische Schaltung zur Stromheizung des Verdampfers 60 gezeigt. Der Verdampfer 60 ist ein elektrischer Widerstandsheizer, der durch einen elektrischen Strom aufgrund seines elektrischen Widerstands erwärmt werden kann. Der Verdampfer 60 kann mindestens ein Widerstandselement, beispielsweise einen Heizdraht aufweisen, beispielsweise einen Spiraldraht oder einen oder eine Mehrzahl parallel zueinander angeordneter Drahtleiter. Der Verdampfer 60 kann alternativ als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgeführt sein, beispielsweise mit Leitungs- oder Mikrokanälen, wie in der DE 10 2016 120 803 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Auch bionische oder kapillarartige Heizstrukturen, wie bionische Netze, sind für den Verdampfer 60 möglich. Es sind auch Verdampfer 60 mit Heizstrukturen wie in der DE 10 2017 111 119 A1 beschrieben möglich, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Generell ist die Erfindung nicht an einen bestimmten Typ von Verdampfer 60 gebunden.
Die Verdampfer-Tank-Einheit 20 ist vorzugsweise mit einer von der Steuerungsvorrichtung 15 steuerbaren Heizstromquelle 71 verbunden und/oder verbindbar, die über elektrische Leitungen 25 mit dem Verdampfer 60 verbunden ist, so dass ein von der Heizstromquelle 71 erzeugter elektrischer Heizstrom Ih durch den Verdampfer 60 fließt. Aufgrund des ohmschen Widerstands des elektrisch leitenden Verdampfers 60 führt der Stromfluss zu einer Erhitzung des Verdampfers 60 und daher zu einer Verdampfung von an dem Verdampfer 60 anliegender Flüssigkeit. Auf diese Weise erzeugter Dampf/Aerosol entweicht aus dem Verdampfer 60 und wird dem Luftstrom 34 beigemischt. Genauer steuert bei Feststellung eines durch Ziehen des Konsumenten verursachten Luftstroms 34 durch den Luftkanal 30 die Steuerungsvorrichtung 15 die Heizstromquelle 71 an, wobei durch spontane Erhitzung die an dem Verdampfer 60 anliegende Flüssigkeit in Form von Dampf/Aerosol ausgegeben 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.
Die Verdampfer-Tank-Einheit 20 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 Verdampfer-Tank-Einheit hinsichtlich der Flüssigkeits-/Dampfmenge pro Zug, d.h. je Zugdauer von 1 s bis 3 s, einstellbar sein.
Die von der Heizstromquelle 71 erzeugte Ansteuerfrequenz des Verdampfers 60 liegt im Allgemeinen vorteilhaft im Bereich von 1 Hz bis 50 kHz, bevorzugt im Bereich von 30 Hz bis 30 kHz, noch weiter vorteilhaft im Bereich von 100 Hz bis 25 kHz.
Vorteilhaft kann der Verdampfer 60 bei Verschmutzung, Defekt oder aufgebrauchtem Substrat ersetzbar sein, sodass eine trennbare elektrische Verbindung zwischen dem Verdampfer 60 dem Basisteil 16 vorgesehen sein kann. Diese Verbindung kann als beispielsweise Federstifte, Steck- oder Schraubverbindung ausgeführt sein.
3 zeigt eine durch eine fette schwarze Kurve angedeutete schematische Strommessreihe 100 mit einem ermittelten Übergangspunkt 101 bei einem Strom I_v , wobei diese Darstellung ein Beispiel einer Strommessreihe 100 für einen Verdampfer 60 mit einem negativen Temperaturkoeffizienten zeigt. In 3 ist der Strom I gegen die Zeit t aufgetragen und nur zur Anschauung als kontinuierlich dargestellt.
Zu Beginn eines Zuges an einem Anfangspunkt 110, der beispielsweise durch das Feststellen des Zuges mittels eines Drucksensors ermittelt oder durch ein Einschalten durch einen Konsumenten bestimmt wird, wird der Verdampfer 60 eingeschaltet und mit einem Heizstrom beheizt. Nun folgt ein zeitlich aufeinanderfolgendes Aufnehmen von Messwerten 108 (in 3 schematisch als Kurve gezeichnet) des an dem Verdampfer 60 anliegenden Stroms I ab dem Anfangspunkt 110. Der Verdampfer 60 heizt sich relativ schnell auf, daher fällt der gemessene Strom I ab.
Die zeitliche Strommessreihe 100 weist einen als Knickpunkt erkenntlichen Übergangspunkt 101 oder zumindest aber eine starke Abflachung auf, die als Übergangspunkt 101 bestimmt wird, sobald die Verdampfung einsetzt. Es folgt eine Zweipunktregelung in Abhängigkeit von einem zum Übergangspunkt 101 gehörigen Strom I_v mit der unteren Schwelle I₁ und der oberen Schwelle I₂ , wobei der Strom I in dem Stromintervall [I₁ ; I₂ ] geregelt wird: sobald der ermittelte Stromfluss I die obere Schwelle I₂ überschreitet, wird die Stromquelle ausgeschaltet oder der Stromfluss reduziert; sobald der ermittelte Stromfluss I die untere Schwelle I₂ unterschreitet, wird die Stromquelle eingeschaltet oder der Stromfluss erhöht. Die Differenz der oberen Schwelle I₂ zu dem Strom I_V am Übergangspunkt 102 und die Differenz des Stroms I_v am Übergangspunkt 102 zu der unteren Schwelle I₁ ist vorteilhaft kleiner als der Strom I_V am Übergangspunkt 102, da keine oder nur eine geringe Übertemperatur am Verdampfer 60 auftreten soll und somit auch nur eine geringe Stromänderung auftritt.
Der Vorteil des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Regelung wird anhand der unteren Strommessreihe 200 in 3 verdeutlicht. Die untere Strommessreihe 200 zeigt einen Stromverlauf für einen Verdampfer 60 der sich in einem oder mehreren Punkten vom Verdampfer 60 der fett gedruckten Strommessreihe 100 unterscheidet: die Batteriespannung ist eine andere, insbesondere durch den Entladungszustand oder Innenwiderstand; der Heizwiderstand des Verdampfers 60 ist ein anderer, insbesondere durch Fertigungstoleranzen; andere elektrische Widerstände liegen vor.
Somit ergibt sich für die untere Strommessreihe 200 ein Übergangspunkt 201 bei einem anderen Strom I_w , der jedoch wieder beim Einsetzen der Verdampfung entsteht. In diesem Beispiel können leicht eine untere Schwelle I₁ und eine obere Schwelle I₂ gewählt werden, innerhalb denen der Strom I geregelt wird, damit der Verdampfer 60 zuverlässig und effektiv Flüssigkeit verdampft.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich ein Temperaturfehler, der um eine Größenordnung geringer ist als im Fall der resistiven Temperaturbestimmung gemäß dem Stand der Technik. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Betrag des Stromintervalls |I₂-I₁| kleiner als 50 %, vorteilhaft kleiner als 25 %, weiter vorteilhaft kleiner als 10 % des Betrages des Stromwerts I_v ist. Das Verfahren regelt nicht auf eine feste Temperatur, sondern auf einen Strom, der der Verdampfungstemperatur oder einer Temperatur etwas oberhalb der Verdampfungstemperatur entspricht. Da die Verdampfungstemperatur von der Zusammensetzung des Substrats beziehungsweise insbesondere der Flüssigkeit abhängt, ist die Temperatur nicht absolut, sondern der zur Verdampfung führende Strom I_v wird bestimmt.
4 zeigt eine exemplarische Strommessreihe 100 einer möglichen Messkurve mit einem Übergangspunkt 101 bei einer Zeit von etwa t = 201 ms und einem realistischen Rauschen des Stromsignals. Die Strommessreihe 100 umfasst mehrere zeitlich aufeinanderfolgend aufgenommene Messwerte 108, die durch eine entsprechende Anzahl von Punkten dargestellt sind, wobei jeder Punkt einem Messwert 108 mit einem zugehörigen Strom I zu einer Zeit t repräsentiert.
Sobald n Werte aufgenommen sind, berechnet die Steuerungseinrichtung 15 aus den Messwerten 108 beispielsweise per linearer Regression eine Ausgleichsgerade 102. In diesem Beispiel sind zwei verschiedene Ausgleichsgeraden 102 zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ gezeigt. Der zeitliche Verlauf des Anstiegs 109 der damit ermittelten Ausgleichsgeraden 102 ist in 5 gezeigt.
Die Regression hat den Vorteil, dass sich der Übergangspunkt 101 gut lokalisieren lässt, selbst wenn die Strommessreihe 100 mit Rauschen überlagert ist. Die Regression glättet somit den Anstieg 109 und bietet eine Verbesserung gegenüber Finiten Differenzen.
5 zeigt eine Ermittlung eines Übergangspunkts 101 anhand des Anstiegs 109 der in 4 gezeigten Strommessreihe 100. Der Übergangspunkt 101 kann durch Auswertung der ersten oder zweiten zeitlichen Ableitung des Stroms I in Echtzeit detektiert werden.
Der Anstieg 109 ist der Anstieg der durch Regression an der Strommessreihe 100 ermittelten Ausgleichsgeraden 102 und ist in gegen die Zeit t aufgetragen. Fällt beispielsweise der Betrag des Anstiegs 109 unter einen Schwellwert 103, kann auf ein Einsetzen der Verdampfung geschlossen werden. In diesem Beispiel befindet sich der Übergangspunkt 101 dort, wo der Betrag des Anstiegs 109 der Ausgleichsgeraden 102 kleiner als ein Schwellwert 103 von in diesem Beispiel 0,002 A/s ist. Der Schwellwert 103 kann empirisch für den Verdampfer 60 bestimmt werden. Aus der Zeit t₀ , zu der der Anstieg 109 den Schwellwert 103 überschreitet, kann anhand der Strommessreihe 100 der Verdampfungsstrom I_v bestimmt werden, hier beispielsweise ca. 2,6 A (vergleiche 4).
6 zeigt eine Ermittlung eines Übergangspunkts 101 anhand der Krümmung 106 der in 4 gezeigten Strommessreihe 100. Ein Extremwert 107 in der zweiten Ableitung, insbesondere ein Maximum, kennzeichnet den Übergangspunkt 101. Der Übergangspunkt 101 bzw. der Verdampfungspunkt der Strommessreihe 101 kann auch über die Krümmung 106 der Strommessreihe 100 gefunden werden. Dafür wird entlang der Strommessreihe 100 anstelle einer Ausgleichsgeraden 102 ein Polynom, insbesondere zweiter Ordnung, an eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Messwerte 108 der Strommessreihe 100 lokal gefittet. Der Koeffizient des quadratischen Terms des Polynoms wird als Krümmung 106 bestimmt und gegen die Zeit t aufgetragen. Ein Algorithmus zum Auffinden eines Extremwerts 107 findet den Extremwert 107 bei einem Zeitpunkt t₀ , der dem Zeitpunkt entspricht, an dem die Strommessreihe 100 den Übergangspunkt 101 aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Verdampfervorrichtung
4: Träger
10: Inhalator
11: Gehäuse
14: Energiespeicher
15: Steuerungseinrichtung
16: Basisteil
18: Flüssigkeitsspeicher
19: Dochtstruktur
20: Verdampfer-Tank-Einheit
24: Luftauslassöffnung
30: Luftkanal
32: Mundende
34: Luftstrom
50: Flüssigkeit
60: Verdampfer
61: Einlassseite
62: Flüssigkeitskanal
64: Auslassseite
71: Heizstromquelle
100, 200: Strommessreihe
101,201: Übergangspunkt
102: Ausgleichsgerade
103: Schwellwert
104: Durchgangsöffnung
105a,: 105b elektrische Leitung
106: Krümmung
107: Extremwert
108: Messwert
109: Anstieg
110: Anfangspunkt
131: Kontaktbereich
231: Lufteinlassöffnung
I, I_v, I_w: Stromwert
I₁: untere Schwelle
I₂: obere Schwelle
t₀, t₁, t₂: Zeitpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016120803 A1 [0033]
DE 102017111119 A1 [0033]

Claims

Verfahren zur Regelung der Verdampfung eines Verdampfers (60) in einem Inhalator (10), wobei der Verdampfer (60) mittels elektrischer Widerstandsheizung geheizt wird, und wobei eine elektronische Steuerungseinrichtung (15) den Stromfluss durch den Verdampfer (60) regelt, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - zeitlich aufeinanderfolgendes Aufnehmen von Messwerten (108) des an dem Verdampfer (60) anliegenden Stroms ab einem Anfangspunkt (110); - Bestimmung eines Übergangspunkts (101) zwischen einem Bereich geringer Verdampfung und einem Bereich hoher Verdampfung in einer den Messwerten (108) entsprechenden zeitabhängigen Strommessreihe (100); - Ermittlung, vorzugsweise in Echtzeit, eines dem Übergangspunkt (101) entsprechenden Stromwerts I_v; - Festlegen eines Stromintervalls [I₁; I₂] in Abhängigkeit von dem ermittelten Stromwert I_v; und - Regelung des Stromflusses innerhalb des festgelegten Stromintervalls [I₁; I₂].
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Übergangspunkts (101) anhand einer Regression an die Strommessreihe (100) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der Übergangspunkts (101) anhand mindestens einer Ausgleichsgerade und/oder mindestens eines Ausgleichspolynoms an die Strommessreihe (100) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Übergangspunkt (101) durch einen Sprung und/oder das Erreichen eines Schwellwerts (103) des Anstiegs (109) der Strommessreihe (100) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Übergangspunkt (101) durch einen Extremwert (107) der Krümmung (106) der Strommessreihe (100) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - zwei zeitlich aufeinanderfolgende Messwerte (108) weniger als 10 ms, vorzugsweise weniger als 5 ms, weiter vorzugsweise weniger als 2 ms zeitlich voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die aufgenommenen Messwerte (108) wenigstens über 10%, vorteilhaft wenigstens 30%, weiter vorteilhaft wenigstens 50% einer Zuglänge aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Betrag des Stromintervalls |I₂-I₁| kleiner als 50 %, vorteilhaft kleiner als 25 %, weiter vorteilhaft kleiner als 10 % des Betrages des Stromwerts I_v ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die untere Schwelle I₁ und/oder die obere Schwelle I₂ so festgelegt werden, dass die untere Schwelle kleiner als der Stromwert I_V und/oder der Stromwert I_V kleiner als die obere Schwelle I₂ sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromfluss durch den Verdampfer (60) gepulst wird, wobei das Tastverhältnis bei Erreichen der unteren Schwelle I₁ von oben erhöht und/oder bei Erreichen der oberen Schwelle I₂ von unten reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die untere Schwelle I₁ und/oder die obere Schwelle I₂ in Abhängigkeit einer Analyse des durchschnittlichen quadratischen Stroms I^2 über ein definiertes Zeitintervall festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Stromintervall [I₁; I₂] und/oder seine Schwellen I₁ und/oder I₂ im Laufe der Zeit zu niedrigeren Strömen verschoben werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - Daten bezüglich mehrerer zeitabhängiger Strommessreihen (100) in einem Datenspeicher gespeichert und miteinander und/oder mit festen Parametern verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Umgebungstemperatur gemessen wird und das Stromintervall [I₁; I₂] und/oder wenigstens eine seiner Schwellen I₁, I₂ in Abhängigkeit der gemessenen Umgebungstemperatur festgelegt und/oder angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromfluss durch ein Einschalten und/oder Beibehalten des Stromflusses durch den Verdampfer (60) bei einem Strom von weniger als einem oberen Schwellwert I₂, oder Ausschalten des Stromflusses durch den Verdampfer (60) bei einem Strom mehr als einem unteren Schwellwert I₁ geregelt wird.