DE102019116727A1

DE102019116727A1 - Verdampferkartusche sowie Inhalator mit einer solchen Verdampferkartusche

Info

Publication number: DE102019116727A1
Application number: DE102019116727.2A
Authority: DE
Inventors: Christof Schuster; Tobias Wuttke; Marc Kessler; Michael Kleine Wächter; Thomas Müller; Niklas Romming; Rene Schmidt; Max Bergmann; Lasse Cornils; Matthias Giese; Christian Hanneken; Jan Jaklin
Original assignee: Hauni Maschinenbau GmbH
Current assignee: Koerber Technologies GmbH
Priority date: 2019-06-20
Filing date: 2019-06-20
Publication date: 2020-12-24
Also published as: WO2020254398A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdampferkartusche (10) als Bestandteil eines Inhalators, umfassend einen Hohlkörper (15) mit einem durchgängigen Strömungskanal (16) sowie einen Vorratstank (17) zum Bevorraten von Flüssigkeit, wobei der Vorratstank (17) mindestens eine Zugangsöffnung (18) zum Strömungskanal (16) aufweist und im Bereich jeder Zugangsöffnung (18) eine sich über die gesamte Zugangsöffnung (18) erstreckende Verdampfereinheit (19) angeordnet ist, die ein Dochtorgan (20) und ein Heizorgan (21) aufweist, wobei die Verdampfereinheit (19) flüssigkeitspermeabel ausgebildet ist, derart, dass Flüssigkeit mindestens initial kapillar aus dem Vorratstank (17) durch die Verdampfereinheit (19) in Richtung des Strömungskanals (16) förderbar ist, die sich dadurch auszeichnet, dass das Dochtorgan (20) mindestens partiell als Wärmeisolator ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft es Weiteren einen entsprechenden Inhalator (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdampferkartusche als Bestandteil eines Inhalators, umfassend einen Hohlkörper mit einem durchgängigen Strömungskanal sowie einen Vorratstank zum Bevorraten von Flüssigkeit, wobei der Vorratstank mindestens eine Zugangsöffnung zum Strömungskanal aufweist und im Bereich jeder Zugangsöffnung eine sich über die gesamte Zugangsöffnung erstreckende Verdampfereinheit angeordnet ist, die ein Dochtorgan und ein Heizorgan aufweist, wobei die Verdampfereinheit flüssigkeitspermeabel ausgebildet ist, derart, dass Flüssigkeit mindestens initial kapillar aus dem Vorratstank durch die Verdampfereinheit in Richtung des Strömungskanals förderbar ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Inhalator, ausgebildet und eingerichtet zum Inhalieren von mit Wirkstoffen angereichertem Dampf, umfassend einen mindestens eine elektronische Steuereinheit und eine Energiequelle umfassenden Kartuschenträger sowie eine Verdampferkartusche.
Solche Verdampferkartuschen und Inhalatoren kommen in der Genussmittelindustrie, hier insbesondere im Zusammenhang mit einer elektronischen Zigarette, der so genannten E-Zigarette, sowie im medizinischen Bereich zum Einsatz, um fluide Genussmittel und/oder fluide medizinische Produkte in Dampfform und/oder als Aerosole inhalieren zu können. Beim Konsumieren saugt üblicherweise eine Person an einem Mundstück des Inhalators, wodurch in dem Strömungskanal ein Saugdruck entsteht, der einen Luftstrom durch den Strömungskanal erzeugt. Der Luftstrom kann aber auch maschinell z.B. durch eine Pumpe erzeugt werden. In dem Strömungskanal wird dem Luftstrom eine von der Verdampfereinheit erzeugte und bereitgestellte verdampfte Flüssigkeit zugegeben, um der konsumierenden Person ein Aerosol oder ein Aerosol-Dampf-Gemisch zu verabreichen. Die Flüssigkeit ist an der oder in der Verdampferkartusche bevorratet. Als Flüssigkeit kommen unterschiedliche Mischungen mit verschiedenen Bestandteilen gleicher oder unterschiedlicher Dampfdichten zum Einsatz. Eine typische Mischung für den Einsatz in einer E-Zigarette weist z.B. Bestandteile von Glycerin und Propylenglycol auf, ggf. angereichert um Nikotin und/oder nahezu beliebige Geschmacksstoffe. Für den Einsatz im medizinischen oder therapeutischen Bereich, z.B. zur Inhalation von Asthma-Präparaten, kann die Mischung entsprechend medizinische Bestandteile und Wirkstoffe aufweisen.
Die einzelnen Bestandteile der Verdampferkartusche, nämlich der Hohlkörper, der Vorratstank und die Verdampfereinheit, können in einem gemeinsamen Bauteil zusammengefasst sein, wobei dieses Bauteil dann ein Einwegartikel ist, der für eine endliche Anzahl von Inhalationszügen durch eine konsumierende Person ausgelegt ist und zusammen mit einem Kartuschenträger als wiederverwendbarem Mehrwegartikel, der mindestens eine elektronische Steuereinheit und eine Energiequelle umfasst, einen Inhalator bildet. Die Verdampferkartusche kann jedoch auch erst durch das Zusammenfügen mehrerer Bauteile gebildet sein, wobei einzelne Bauteile, nämlich insbesondere der Hohlkörper und die Verdampfereinheit, in dem Kartuschenträger als Mehrwegartikel angeordnet sind, und der Vorratstank als separates Bauteil den Einwegartikel bildet. Letztlich lässt sich der Inhalator durch Austausch des Einwegartikels, der üblicherweise die Flüssigkeit beinhaltet, variabel einsetzen.
Entsprechend sind der Einwegartikel und der Mehrwegartikel lösbar miteinander verbunden. Der Kartuschenträger als Mehrwegartikel umfasst üblicherweise mindestens eine elektronische Steuereinheit und eine Energiequelle. Die Energiequelle kann z.B. eine elektrochemische Einwegbatterie oder ein wiederaufladbarer elektrochemischer Akku, z.B. ein Li-lonen-Akku sein, mittels dem das Heizorgan über die elektrischen Kontakte der Verdampfereinheit mit Energie versorgt wird. Die elektronische und/oder elektrische Steuereinheit dient zum Steuern der Verdampfereinheit innerhalb der Verdampferkartusche. Der Kartuschenträger kann aber auch Bestandteile der Verdampferkartusche umfassen. Der Einwegartikel kann als Ansteckteil an den Mehrwegartikel ansteckbar oder als Einsetzteil in den Mehrwegartikel einsetzbar ausgebildet sein. Anstelle einer Steckverbindung sind auch Schraubverbindungen oder andere Schnellverbindungen einsetzbar. Mit der Verbindung von Einwegartikel und Mehrwegartikel wird eine mechanische und elektrische Kopplung zur Bildung eines funktionsbereiten Inhalators hergestellt.
Die zentrale und letztlich die Nutzung (z.B. als E-Zigarette oder als medizinischer Inhalator) bestimmende Komponente ist der Vorratstank als Bestandteil der Verdampferkartusche. Diese beinhaltet in der Regel die von der Person gewählte, gewünschte und/oder benötigte Flüssigkeit bzw. ein Flüssigkeitsgemisch (im Folgenden auch allgemein als Fluid bezeichnet) sowie den den Strömungskanal bildenden Hohlkörper und die Verdampfereinheit. Das Fluid ist in dem Vorratstank der Verdampferkartusche bevorratet. Mittels der flüssigkeitspermeablen Verdampfereinheit wird das Fluid aus dem Vorratstank aufgrund zumindest initial kapillarer Förderung durch das Dochtorgan und das Heizorgan geleitet. Die von der Energiequelle erzeugte Spannung, die an dem Heizorgan angelegt wird, führt zu einem Stromfluss im Heizorgan. Aufgrund des Heizwiderstandes, vorzugsweise des Ohm'schen Widerstands des Heizorgans führt der Stromfluss zu einer Erhitzung des Heizorganes und letztlich zu einer Verdampfung des in der Verdampfereinheit befindlichen Fluids. Der auf diese Weise erzeugte Dampf und/oder Aerosol entweicht aus der Verdampfereinheit in Richtung des Strömungskanals und wird als Gas- bzw. Dampfzugabe der Luftströmung beigemischt. Durch diesen Durchmischungsprozess mit der Luftströmung stellt sich durch Rekondensation die eigentliche Aerosolqualität ein. Das Fluid hat damit einen vorgegebenen Weg mit einer vorgegebenen Strömungsrichtung, nämlich als Fluid durch das Dochtorgan an das und durch das Heizorgan und als Gas bzw. Dampf/Nebel und/oder Aerosol aus dem Heizorgan in den Strömungskanal. In dem Strömungskanal wird das verdampfte Fluid durch den Luftstrom mitgerissen, wenn der Strömungskanal mit einem Druck/Unterdruck beaufschlagt wird, indem z.B. eine konsumierende Person an dem Strömungskanal saugt oder eine Pumpe einen Luftstrom durch den Strömungskanal fördert.
Damit das Fluid aus dem Vorratstank nicht direkt in den Strömungskanal fließt, deckt die Verdampfereinheit den Zugang vom Vorratstank zum Strömungskanal vollständig ab. Vollständig abgedeckt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Flüssigkeit zwingend durch die Verdampfereinheit geführt ist, so dass das Fluid nicht direkt vom Vorratstank in den Strömungskanal gelangen kann, sondern den „Umweg“ über das Dochtorgan und das Heizorgan nehmen muss. Das Dochtorgan dient zum einen zum Zwischenspeichern von Fluid, um insbesondere bei nahezu entleertem Vorratstank noch ausreichend Fluid für wenige Züge am Inhalator zur Verfügung zu stellen. Das Dochtorgan dient zum anderen insbesondere zum Transport des Fluids vom Vorratstank in Richtung des Strömungskanals und wirkt gleichzeitig als eine Art Rückschlagschutz, um den Rücklauf von Fluid und/oder Dampf in Richtung des Vorratstanks zu unterbinden. Weiter dient das Dochtorgan zur gleichmäßigen Versorgung des Heizorgans mit Fluid, um lokale/temporäre Überhitzung des Heizorgans sowie eine daraus resultierende Schadstoffbildung zu vermeiden und die Verdampfung zu vergleichmäßigen.
Bei den bekannten Dochtorganen besteht das Problem, dass die Wärmeleitfähigkeit des Dochtorgans um ein Vielfaches - häufig auch Faktor 20 und mehr - höher ist als die Wärmeleitfähigkeit der bevorrateten und aus dem Vorratstank in Richtung des Strömungskanals zu transportierenden Flüssigkeit. Das Fluid/die Flüssigkeit hat näherungsweise eine thermische Leitfähigkeit von 0,25-0,3 W/(m*K). Das Ausgangsmaterial Aluminiumoxid als Dochtmaterial hat z.B. eine thermische Leitfähigkeit von ca. 30 W/(m*K). Diese unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten führen dazu, dass die Flüssigkeit und teilweise sogar die Verdampferkartusche selbst oder Teile davon indirekt über das Dochtorgan erwärmt werden, da der Wärmetransport ausgehend vom Heizorgan auch in einen Bereich des Dochtorgans erfolgt, in dem die dorthin transportierte Wärme nicht aktiv zur Verdampfung der Flüssigkeit beitragen kann. Mit anderen Worten erfolgt durch die erhebliche Differenz der Wärmeleitfähigkeiten von Dochtmaterial einerseits und Flüssigkeit andererseits, die Wärmeleitfähigkeit des Dochtmaterials ist um ein Vielfaches höher als die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit, ein Wärmetransport weg vom Strömungskanal, in dem der zu bildende Dampf bei Durchmischung mit dem Luftstrom entstehen soll, so dass dieser Wärmetransport bzw. die Wärmeleitung des Dochtorgans einen Energieverlust darstellt, der dazu führt, dass die maximale Anzahl von möglichen Verdampfungsvorgängen, die die Energiequelle leisten kann, reduziert ist. Einfach ausgedrückt wird Energie verbraucht für das Erwärmen von Flüssigkeit und/oder Komponenten der Verdampferkartusche in Bereichen, in denen eine Erwärmung eher unerwünscht und/oder kontraproduktiv ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die fehlgeleitete Wärme entsprechend in den Bereichen, in denen die Verdampfung stattfindet, nämlich im Übergang vom Heizorgan in den Strömungskanal, nicht zur Verfügung steht, so dass es zu inkonstanten und nicht reproduzierbaren Verdampfungsbedingungen kommen kann. Im Extremfall kann die Wärmeleitung sogar dazu führen, dass eine Verdampfung bereits im Dochtorgan selbst beginnt und das Heizorgan trockenfällt, also nicht mehr mit Flüssigkeit gekühlt wird und/oder durch die schlagartige Volumenexpansion der Verdampfung Dochtorgan und/oder Heizorgan beschädigt werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Verdampferkartusche vorzuschlagen, die Wärmeverluste reduziert und konstante und reproduzierbare Verdampfungsbedingungen sicherstellt. Die Aufgabe besteht weiterhin darin, einen entsprechenden Inhalator vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch eine Verdampferkartusche der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Dochtorgan mindestens partiell als Wärmeisolator ausgebildet ist. Der Begriff „Wärmeisolator“ bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass gar keine Wärme geleitet wird, sondern dass die Wärmeleitung stark reduziert bzw. gezielt und auf Wärmeleitfähigkeit des jeweiligen Liquids (synonym für Fluid und Flüssigkeit) eingestellt ist. Durch die mindestens abschnittsweise geringe Wärmeleitfähigkeit des Materials des Dochtorgans, also Material, dessen Wärmeleitfähigkeit so gering wie möglich ist, also quasi wärmeisolierend wirkt, wird wirksam verhindert, dass Wärme in andere Bereiche des Dochtorgans und/oder Komponenten der Verdampferkartusche geleitet wird, als die, in denen die Wärme zur Verdampfung benötigt wird. Anders ausgedrückt wird der Wärmetransport in einen Bereich der Verdampferkartusche, der nicht aktiv zur Verdampfung der Flüssigkeit beiträgt, deutlich reduziert, so dass die vom Heizorgan erzeugte Wärme nahezu vollständig zur Verdampfung der Flüssigkeit im Bereich des Strömungskanals zur Verfügung steht. Mit der Reduzierung der Wärmeverluste verlängert sich entsprechend die Lebensdauer der Energiequelle. Dadurch, dass das Dochtorgan mindestens partiell als Wärmeisolator ausgebildet ist, können Bereiche des Dochtorgans gezielt in die Dampfbildung einbezogen oder von dieser abgegrenzt werden.
Vorzugsweise weist das Dochtorgan über seine Länge und/oder Höhe unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten auf. Am Beispiel eines aus Vlies- und/oder Fasermaterial gebildeten Faserdochtes kann dieser über seine Länge unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, indem z.B. freie Endabschnitte des Faserdochtes, die in den Vorratstank eintauchen, eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als Abschnitte des Faserdochtes, die von einem Metalldraht als Heizorgan umwickelt sind und in Richtung des Strömungskanals weisen. Für das Beispiel eines blockartigen Dochtorgans kann die Wärmeleitfähigkeit des Materials, aus dem das Dochtorgan gebildet ist, über die Höhe ausgehend vom Vorratstank in Richtung des Strömungskanals variieren, und zwar zum einen in Richtung des Strömungskanals zunehmen, beispielsweise wenn das Dochtorgan gleichzeitig das Heizorgan ist, und zum anderen in Richtung des Strömungskanals abnehmen, beispielsweise wenn zwischen dem Dochtorgan und dem Strömungskanal ein separates Heizorgan angeordnet ist. Der Verlauf der sich ändernden Wärmeleitfähigkeit kann kontinuierlich oder schrittweise sein. Durch die Variabilität der Wärmeleitfähigkeit über die Länge und/oder die Höhe kann die Dampfbildung quasi gesteuert werden, indem gezielt ausgewählte Bereiche des Dochtorgans für die Schaffung konstanter und reproduzierbarer Verdampfungsbedingungen in die Dampfbildung einbezogen oder von dieser abgegrenzt werden. Die genannte Variabilität bezieht sich in gleicher Weise auch auf die Breite und/oder Tiefe des Dochtorgans.
Eine bevorzugte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Dochtorgan eine Wärmeleitfähigkeit WL₁ aufweist und die in dem Vorratstank zu bevorratende bzw. bevorratete Flüssigkeit eine Wärmeleitfähigkeit WL₂ aufweist, wobei die Wärmeleitfähigkeiten WL₁ und WL₂ einander angeglichen sind. Mit der Angleichung der Wärmeleitfähigkeiten ist eine bewusste Auswahl der Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten Materialien beschrieben, die in einer gemeinsamen Größenordnung liegen, wobei eine Abweichung der Wärmeleitfähigkeit vom Dochtorgan zur Wärmeleitfähigkeit von der Flüssigkeit um einen Faktor kleiner 20 noch als angeglichen betrachtet wird. Dadurch wird die Lebensdauer der Energiequelle verlängert und insbesondere auch die Leistungsfähigkeit erhöht.
Vorteilhafterweise ist die Wärmeleitfähigkeit WL₁ des Dochtorgans maximal um den Faktor 10 größer ist als die Wärmeleitfähigkeit WL₂ der Flüssigkeit, besonders bevorzugt ist WL₁ maximal um den Faktor 5 größer als WL₂, und ganz besonders bevorzugt ist WL₁ maximal um den Faktor 1,5 größer als WL₂. Dadurch werden die zuvor beschriebenen Vorteile verstärkt.
Besonders bevorzugt ist die Wärmeleitfähigkeit WL₁ des Dochtkörpers gleich oder kleiner als die Wärmeleitfähigkeit WL₂ der Flüssigkeit. Für den Fall, dass WL₁ kleiner ist oder wird als WL₂, nimmt die Wärmeleitfähigkeit WL₁ des Dochtorgans bevorzugt ausgehend vom Vorratstank in Richtung des Strömungskanals ab. Das ist insbesondere für den Fall besonders bevorzugt, wenn zusätzlich zum Dochtorgan ein separates Heizorgan vorgesehen ist, an dem das Dochtorgan anliegt. Damit kann das Dochtorgan im Bereich des Heizorgans nahe dem Strömungskanal eine wärmeisolierende Wirkung aufweisen, während das Dochtorgan nahe dem Vorratstank eine Wärmeleitfähigkeit entsprechend der Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit aufweist. Dadurch können konstante und reproduzierbare Verdampfungsbedingungen geschaffen werden, bei gleichzeitig optimierter Energieeffizienz.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Dochtorgan aus einer Vielzahl granulatartiger Körner gebildet ist, die aufgrund ihrer Schüttung und/oder Ausbildung Mikrokanäle bilden, die sich zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen dem Vorratstank und dem Strömungskanal durchgängig von einer Eintrittsseite E_D des Dochtorgans zu einer Austrittsseite A_D des Dochtorgans erstrecken. Mit einem granularen Dochtorgan ist es besonders einfach und präzise möglich, die Bereiche, an denen die Verdampfung erfolgen soll, am Beispiel eines Dochtorgans mit einem separaten Heizorgan ist es der Bereich des Dochtorgans, der flächig und ohne Spalte und Hohlräume am Heizorgan anliegt, mit einer besonders niedrigen Wärmeleitfähigkeit, gleich einem Wärmeisolator, auszustatten, um Wärmeverluste zu vermeiden und konstante und reproduzierbare Verdampfungsbedingungen zu schaffen. Mit „Spalte“ und „Hohlräume“ werden nicht Mikrokanäle bildende, z.B. kornfreie Räume beschrieben, beispielsweise durch Abstände zwischen benachbarten Körnern oder Abstände zwischen Körnern und Heizorgan. In Abgrenzung zu unerwünschten Hohlräumen sind Mikrokanäle bildende Mikrohohlräume z.B. durch aneinander liegende Körner vorhanden.
Optional kann das Dochtorgan gleichzeitig auch das Heizorgan sein, wenn z.B. einzelne Bereiche, Körner oder Kornschichten eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit in dem Bereich aufweisen, in dem die Verdampfung der Flüssigkeit erfolgen soll. Eine bevorzugte Weiterbildung ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinheit ein separat zum Dochtorgan ausgebildetes Heizorgan aufweist, derart, dass eine Vorratstank-Dochtorgan-Heizorgan-Anordnung mit einer durchgehenden Fluidkopplung gebildet ist. Dann kann das Dochtorgan oder zumindest ein Bereich oder eine Schicht des Dochtorgans mit körnigen Materialien gebildet sein, die eine geringe oder gegen null tendierende Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die vom Heizorgan erzeugte Wärme bleibt im Bereich des Heizorgans, um die Verdampfung auszuführen. Das mindestens abschnittsweise wärmeisolierende Dochtorgan verhindert das Entweichen von Verlustwärme in Richtung Vorratstank.
Vorzugsweise ist das Heizorgan ein im Wesentlichen aus Silizium bestehendes oder Silizium oder p- oder n-dotiertes Silizium aufweisendes MEMS-Bauteil (Micro-Electro-Mechanical-System) mit einer dem Dochtorgan zugewandten ersten Oberfläche und einer dem zweiten Dochtorgan abgewandten zweiten Oberfläche, wobei die beiden Oberflächen in einer Fluidverbindung zueinander stehen. Die erste Oberfläche ist vorzugsweise glatt oder sogar poliert, so dass das körnige Material des Dochtorgans eng, nämlich nahezu spalt- und hohlraumfrei, am Heizorgan anliegt. Mit den Körnern werden also solche unerwünschten Spalte und Hohlräume gefüllt, die keine Mikrokanäle bilden. In Abgrenzung zu den unerwünschten Hohlräumen bilden die Körner selbst oder im Zusammenwirken mit benachbarten, aneinander liegenden Körnern erwünschte Mikrohohlräume und/oder Mikrokanäle zur Leitung von Flüssigkeit.
Besonders bevorzugt ist das granulare Dochtorgan aus mehreren Schichten von Körnern unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeiten gebildet, wobei die dem Heizorgan nächstliegende Schicht aus Körnern mit der vergleichsweisen geringsten Wärmeleitfähigkeit gebildet ist. Die sich daraus ergebenden Vorteile wurden bereits vorstehend erläutert. In Folge der angepassten Wärmeleitfähigkeit des Dochtorgans wird die Flüssigkeit nur am Heizorgan verdampft. Anders ausgedrückt wird die Verdampfung von Flüssigkeit in anderen Bereichen, z.B. am oder im Dochtorgan, wirksam verhindert, wodurch die Entstehung von Schadstoffen vermieden wird.
Vorteilhafterweise bestehen mindestens die an der ersten Oberfläche des Heizorgans anliegenden Körner des granularen Dochtorgans aus einem wärmeisolierenden Material. Die sich daraus ergebenden Vorteile wurden bereits vorstehend erläutert.
Die Aufgabe wird auch durch einen Inhalator der eingangs gennannten Art dadurch gelöst, dass die Verdampferkartusche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet und eingerichtet ist.
Die sich daraus ergebenden Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit der Verdampferkartusche beschrieben, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
Weitere zweckmäßige und/oder vorteilhafte Merkmale und Weiterbildungen zur Verdampferkartusche und dem Inhalator ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Verdampferkartusche und des Inhalators werden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Inhalators mit Kartuschenträger und Verdampferkartusche im Teilschnitt,
2 eine vergrößerte Darstellung einer Verdampferkartusche mit einem blockartigen, keramischen Dochtorgan, das gleichzeitig Heizorgan ist, im Teilschnitt, wobei das Dochtorgan partiell als Wärmeisolator ausgebildet ist,
3 eine vergrößerte Darstellung einer Verdampferkartusche mit einem granularen Dochtorgan, das vollständig als Wärmeisolator ausgebildet ist, und einem separaten Heizorgan, im Schnitt,
4 eine vergrößerte Darstellung einer Verdampferkartusche mit einem granularen Dochtorgan, das partiell als Wärmeisolator ausgebildet ist, und einem separaten Heizorgan, im Schnitt,
5 eine vergrößerte Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Verdampferkartusche im Teilschnitt,
6 die Verdampferkartusche gemäß 5,
7 eine vergrößerte Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Verdampferkartusche im Teilschnitt, und
8 die Verdampferkartusche gemäß 7.

Die in der Zeichnung dargestellte Verdampferkartusche sowie der Inhalator dienen zum Inhalieren von mit Wirkstoffen, z.B. Nikotin, angereichertem Dampf und/oder Aerosolen aus Flüssigkeiten, sind entsprechend im Zusammenhang mit einer E-Zigarette beschrieben. In der Zeichnung sind ein blockartiges und ist ein granulares Dochtorgan dargestellt. Die Erfindung bezieht sich aber entsprechend auch auf Verdampferkartuschen mit Faserdochten aus Faser- und/oder Vliesmaterial oder mit anders geformten und/oder hergestellten Dochtorganen. Die Verdampferkartusche und der Inhalator sind in gleicher Weise zum Inhalieren von mit medizinischen Wirkstoffen angereichertem Dampf aus pharmazeutischen und/oder nahrungsergänzenden Produkten einsetzbar.
Die dargestellte Verdampferkartusche 10 umfasst einen Hohlkörper 15 mit einem durchgängigen Strömungskanal 16 sowie einen Vorratstank 17 zum Bevorraten von Flüssigkeit, wobei der Vorratstank 17 mindestens eine Zugangsöffnung 18 zum Strömungskanal 16 aufweist und im Bereich jeder Zugangsöffnung 18 eine sich über die gesamte Zugangsöffnung 18 erstreckende Verdampfereinheit 19 angeordnet ist, die ein Dochtorgan 20 und ein Heizorgan 21 aufweist, wobei die Verdampfereinheit 19 flüssigkeitspermeabel ausgebildet ist, derart, dass die Flüssigkeit mindestens initial kapillar aus dem Vorratstank 17 durch die Verdampfereinheit 19 in Richtung des Strömungskanals 16 förderbar ist.
Der Hohlkörper 15 mit seinem mindestens einen Strömungskanal 16 bildet einen Saugkanal/Schlot. Die Form des Hohlkörpers 15 kann ebenso wie der Verlauf jedes Strömungskanals 16 nahezu beliebig sein. Entscheidend ist, dass die Eintrittsseite Es jedes Strömungskanals 16 offen zur Umgebung ist, um z.B. Luft ansaugen zu können, und dass die Austrittsseite As offen ist, um ein z.B. einen Unterdruck erzeugen zu können, insbesondere durch das Saugen einer konsumierenden Person. Offen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Eintrittsseite Es und die Austrittsseite As luftdurchlässig sind. Es können auch zwei oder mehr Strömungskanäle 16 mit entsprechenden Eintrittsseiten Es und Austrittsseiten As vorgesehen sein. Im Bereich der Zugangsöffnung 18 zwischen Vorratstank 17 und Strömungskanal 16 bildet die Verdampfereinheit 19 eine Art Flüssigkeitssperre, die verhindert, dass Flüssigkeit aus dem Vorratstank 17 direkt und als Flüssigkeit in den Strömungskanal 16 fließt.
Unabhängig von der Form und Ausbildung des Vorratstanks 17, es können auch zwei oder mehr Vorratstanks 17 vorgesehen sein, und des Hohlkörpers 15 sowie der Anordnung/Positionierung von Vorratstank 17 zu Hohlkörper 15 stellt die Verdampfereinheit 19 sicher, dass Flüssigkeit zwangsläufig aus dem Vorratstank 17 in Richtung des Strömungskanals 16 geführt wird und spätestens beim Austritt aus der Verdampfereinheit 19 als Gas bzw. Dampf und/oder Aerosol in den oder jeden Strömungskanal 16 abgegeben wird.
Diese Verdampferkartusche 10 zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Dochtorgan 20 mindestens partiell als Wärmeisolator ausgebildet ist. Das bedeutet, dass das Dochtorgan 20, unabhängig von der Art und Bauform des Dochtorgans 20, mindestens einzelne Abschnitte aufweist, in denen das Material, aus dem das Dochtorgans 20 hergestellt ist, eine derart geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, dass es quasi wärmeisolierend wirkt.
Die erfindungsgemäße Verdampferkartusche 10 kann als Einwegartikel eine bauliche Einheit sein, die die Komponenten Hohlkörper 15, Vorratstank 17 und Verdampfereinheit 19 beinhaltet. Die Verdampferkartusche 10 kann aber auch mehrteilig ausgebildet sein, wobei sich Komponenten der Verdampferkartusche 10 auf den Einwegartikel und den Mehrwegartikel verteilen, derart, dass z.B. der Vorratstank 17 ein Einwegartikel ist, der erst beim Zusammenführen mit einem Kartuschenträger 13, der ein Mehrwegartikel sein kann und neben einer elektronischen Steuereinheit 11 und einer Energiequelle 12 auch Bestandteile der Verdampferkartusche 10, wie z.B. den Hohlkörper 15 und die Verdampfereinheit 19, umfassen kann, zur baulichen Einheit der Verdampferkartusche 10 führt. Die Verdampferkartusche 10 definiert sich entsprechend über ihre Komponenten, nämlich Hohlkörper 15 mit Strömungskanal 16, Vorratstank 17 und Verdampfereinheit 19, und nicht über die konstruktive/bauliche Zuordnung der Komponenten zum Mehrwegartikel bzw. Einwegartikel.
Die im Folgenden beschriebenen Merkmale und Weiterbildungen stellen für sich betrachtet oder in Kombination miteinander bevorzugte Ausführungsformen dar. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Merkmale, die in den Ansprüchen und/oder der Beschreibung und/oder der Zeichnung zusammengefasst oder in einer gemeinsamen Ausführungsform beschrieben sind, auch funktional eigenständig die weiter oben beschriebene Verdampferkartusche 10 weiterbilden können.
Bevorzugt ist die Verdampferkartusche 10 zum mechanischen und elektrischen Verbinden mit dem mindestens die elektronische Steuereinheit 11 und die Energiequelle 12 umfassenden Kartuschenträger 13 zur Bildung eines Inhalators 14 (siehe insbesondere 1) ausgebildet und eingerichtet, wobei die Verdampfereinheit 19 elektrische Kontakte 22 zur elektrischen Kontaktierung mit der Energiequelle 12 umfasst. Der Inhalator 14 kann z.B. durch eine inhalierende Person aktiviert werden, beispielsweise als E-Zigarette, oder z.B. durch eine Pumpe aktiviert werden, z.B. als medizinisches Instrument für den Fall, dass die Person selbst nicht mehr oder nicht ausreichend saugen kann.
Das Dochtorgan 20 weist optional über seine Länge und/oder Höhe unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten auf. In nicht dargestellten Ausführungsformen kann das Dochtorgan 20 z.B. ein aus Faser- und/oder Vliesmaterial gebildeter Faserdocht sein. Dieser Faserdocht kann z.B. in Abschnitten, mit denen er in die Flüssigkeit des Vorratstanks 17 eintaucht, eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die der Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit entspricht, während Abschnitte, um die das Heizorgan 21 in Form eines Heizdrahtes gewickelt ist, aus einem nahezu wärmeisolierenden Material bestehen. In der 2 ist eine Verdampferkartusche 10 mit einem blockartigen Dochtorgan 20 aus keramischem Material dargestellt. Das keramische Material, das mindestens im Bereich des Strömungskanals 16 elektrisch leitend ist, so dass das Dochtorgan 20 gleichzeitig auch das Heizorgan 21 bildet, weist im Beispiel der 2 durchgängig eine äußerst geringe Wärmeleitfähigkeit auf, derart, dass das Dochtorgan 20 insgesamt als Wärmeisolator wirkt. Das Dochtorgan 20 kann jedoch über seine Höhe, also ausgehend vom Vorratstank 17 in Richtung des Strömungskanals 16 unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen. Beispielsweise kann das Material des Dochtorgans 20 in dem Bereich, in dem es elektrisch leitend ist und das Heizorgan 21 bildet, also nahe dem Strömungskanal 16, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen kann, während das Material in Richtung des Vorratstanks 17 eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen kann, so dass dieser Bereich des Dochtorgans 20 als Wärmeisolator wirkt. Der Verlauf der Wärmeleitfähigkeiten über die Länge (z.B. beim Faserdocht) oder über die Höhe (z.B. beim Dochtblock) kann kontinuierlich ab- oder zunehmen oder in Schritten/Stufen erfolgen.
Das Dochtorgan 20 weist eine Wärmeleitfähigkeit WL₁ auf, und die in dem Vorratstank 17 zu bevorratende bzw. bevorratete Flüssigkeit weist eine Wärmeleitfähigkeit WL₂ auf, wobei die Wärmeleitfähigkeiten WL₁ und WL₂ einander angeglichen sind. Mindestens partiell liegen die Wärmeleitfähigkeiten vom Dochtmaterial und von der Flüssigkeit in derselben Größenordnung. Insbesondere im Kontaktbereich zwischen Flüssigkeit und Dochtorgan 20 entsprechen sich die Wärmeleitfähigkeiten im Wesentlichen. Als im Wesentlichen gleich werden noch Wärmeleitfähigkeiten angesehen, die um einen Faktor von bis zu 20 voneinander abweichen. Bevorzugt ist die Wärmeleitfähigkeit WL₁ des Dochtorgans 20 maximal um den Faktor 10 größer ist als die Wärmeleitfähigkeit WL₂ der Flüssigkeit, besonders bevorzugt ist WL₁ maximal um den Faktor 5 größer als WL₂, und ganz besonders bevorzugt ist WL₁ maximal um den Faktor 1,5 größer als WL₂. In weiteren Ausführungsformen ist die Wärmeleitfähigkeit WL₁ des Dochtkörpers 20 gleich oder kleiner als die Wärmeleitfähigkeit WL₂ der Flüssigkeit. Vorzugsweise nimmt die Wärmeleitfähigkeit WL₁ des Dochtorgans 20 ausgehend vom Vorratstank 17 in Richtung des Strömungskanals 16 ab. Das gilt insbesondere für solche Ausführungsformen, bei denen das Dochtorgan 20 und das Heizorgan 21 separate Elemente sind, wie weiter unten ausführlich beschrieben wird. In den letztgenannten Fällen weist das Dochtorgan 20 im Kontaktbereich zum Heizorgan 21 eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass das Dochtorgan 20 quasi wärmeisolierend wirkt.
Besonders bevorzugt ist das Dochtorgan 20 aus einer Vielzahl granulatartiger Körner 24 gebildet, die aufgrund ihrer Schüttung und/oder Ausbildung Mikrokanäle 23 bilden, die sich zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen dem Vorratstank 17 und dem Strömungskanal 16 durchgängig von einer Eintrittsseite E_D des Dochtorgans 20 zu einer Austrittsseite A_D des Dochtorgans 20 erstrecken. Mit Schüttung ist sowohl das lose als auch das verbundene Nebeneinanderliegen der Körner 24 beschrieben, wobei auch gerüttelte und/oder verdichtete Anordnungen der Körner 24 umfasst sind. Mit Ausbildung der Körner 24 ist z.B. beschrieben, dass die Körner 24 selbst Mikrohohlräume und/oder Mikrokanäle aufweisen können. Somit werden in der Verdampfereinheit 19 zwischen den einzelnen Körnern 24 und/oder durch einzelne Körner 24 eine Vielzahl zufälliger Mikrokanäle zwischen dem Vorratstank 17 und dem Strömungskanal 16 gebildet, die eine konstante und gleichmäßige Verdampfung auf der Austrittsseite der Verdampfereinheit 19 sicherstellen. Anders ausgedrückt wird durch das granulare Dochtorgan 20 eine optimale Fluidkopplung zwischen der Eintrittsseite in die Verdampfereinheit 19 und der Austrittsseite aus der Verdampfereinheit 19 hergestellt.
Im Bereich der Zugangsöffnung 18 ist in dem Hohlkörper 15 ein Aufnahmeraum 25 zum Aufnehmen der Verdampfereinheit 19, im Beispiel der 2 des Dochtorgans 20 und im Beispiel der 3 und 4 des Dochtorgans 20 und des Heizorganes 21, ausgebildet, wobei der Aufnahmeraum 25 zum Aufnehmen von Flüssigkeit aus dem Vorratstank 17 in die Verdampfereinheit 19 und zum Abgeben von Gas bzw. Dampf aus der Verdampfereinheit 19 in den Strömungskanal 16 mindestens teilweise durch eine flüssigkeits- und gas- bzw. dampfpermeable Struktur begrenzt ist. Der Aufnahmeraum 25 für die Verdampfereinheit 19 kann durch Gehäusewände anderer Komponenten der Verdampferkartusche 10, durch separate Wandelemente, Vorsprünge, Platten, Deckel, Wickelelemente, Schieber oder jede andere Begrenzung oder Kombinationen davon gebildet sein. Der Aufnahmeraum 25 kann jede beliebige Form und/oder Kontur aufweisen. Im Beispiel der 2 bis 4 ist der Aufnahmeraum 25 z.B. umlaufend durch Wandelemente 26 begrenzt. Zum Vorratstank 17 gerichtet ist der Aufnahmeraum 25 mit der darin befindlichen Verdampfereinheit 19 beispielsweise durch ein Deckelelement 27, das flüssigkeitspermeabel ausgebildet ist, abgedeckt. Zum Strömungskanal 16 hin kann der Aufnahmeraum 25 z.B. durch eine flüssigkeits- und gas- bzw. dampfpermeable Gitterstruktur 28 (siehe 2) oder durch ein separates Heizorgan 21 (siehe 3 und 4), das entsprechend flüssigkeits- und gas- bzw. dampfpermeable ausgebildet ist, begrenzt sein.
In der 3 ist eine Verdampferkartusche 10 dargestellt, in der das Dochtorgan 20 aus Körnern 24 gebildet ist, deren Wärmeleitfähigkeit durchgängig so gering ist, dass das Dochtorgan 20 insgesamt als Wärmeisolator wirkt. Die Körner 24 bilden quasi eine einzelne Schicht. Die 4 beschreibt eine Ausführungsform, bei der das granulare Dochtorgan 20 mehrere Schichten aus Körnern 24 mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten aufweist. Beispielsweise ist die am Heizorgan 21 anliegende Schicht aus Körnern 24 mit einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit, vergleichsweise mit der geringsten Wärmeleitfähigkeit, gebildet, so dass das Dochtorgan 20 in diesem Bereich als Wärmeisolator dient. Die weiteren Schichten sind aus Körnern 24 gebildet, die auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen können, insbesondere in einem Größenbereich, der der Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit entspricht. Insbesondere die am Heizorgan 21 anliegende Schicht des Dochtorgans 20 ist frei von Fasern, insbesondere Glasfasern, Steinfasern und anderen Naturfasern.
Die Körner 24 eines Dochtorgans 20 können hinsichtlich ihrer Materialauswahl und/oder ihrer Größe gleich und/oder ungleich ausgebildet sein. Alle Körner 24 können die gleiche Größe aufweisen, also in einem Größenbereich liegen. Die Körner 24 können jedoch unterschiedliche Größen, also in unterschiedlichen Größenbereichen liegen. Bevorzugt beträgt die Korngröße zwischen 0,1 µm und 2mm und besonders bevorzugt zwischen 3µm und 300µm. Rein beispielhaft können alle Körner 24 in einem Größenbereich zwischen 50µm und 100µm (entspricht einem Größenbereich) liegen. Die Körner 24 eines Dochtorgans 20 können aber auch ausgehend vom Vorratstank 17 in Richtung des Strömungskanals 16 lokal unterschiedliche Korngrößen aufweisen. So können dem Vorratstank 17 nahestehende Schichten des Dochtorgans 20 Körner 24 mit einer Korngröße von z.B. 200µm bis 300µm (entspricht einem Größenbereich) aufweisen, während dem Strömungskanal 16 nahestehende Schichten des Dochtorgans 20 Körner 24 mit einer Korngröße von z.B. 50µm bis 100µm (entspricht einem Größenbereich) aufweisen. Durch die Wahl der Korngrößen und der jeweiligen Verteilung z.B. in Schichten mit Körnern 24 unterschiedlicher Größenbereiche lässt sich u.a. der Strömungswiderstand des Dochtorgans 20 individuell, letztlich sogar auch erst bei der Schüttung, einstellen. Durch die Auswahl der eingesetzten Korngrößen in einem Dochtorgan 20 lässt sich ein individueller Porengradient für das Dochtorgan 20 einstellen. Die maximale Korngröße liegt in Abhängigkeit der Fließeigenschaft der jeweils zu fördernden Flüssigkeit jeweils außerhalb einer die kapillare Förderung ausschließenden Größe. Anders ausgedrückt dürfen die Körner 24 nur so groß sein, dass sie als Dochtorgan 20 noch eine kapillare Wirkung erzeugen.
Alle Körner 24 können aus demselben Material bestehen. Die Körner 24 können jedoch auch aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen. Vorzugsweise bestehen die Körner 24 aus Sand (Quarz) und/oder Graphit. Als Materialien kommen aber auch diverse andere Materialien oder Materialmischungen in Frage. Bevorzugte Materialien für die Körner 24 sind z.B. PEEK-Granulat (Polyetheretherketon-Granulat), PEK-Granulat (Polyetherketon-Granulat), PA-Pulver, VM17-Granulat, Glas, Steatit, Siliziumdioxid, Lignin, Aerogel, Viton, Silikon, Asche, Charcoal, Betonit, Zeolith, Diatomit, Magnesiumsilikat, Korund, Kieselgur, gemahlener Porphyr sowie Mischungen daraus. Besonders bevorzugt bestehen die Körner 24 eines Dochtorgans 20 ausgehend vom Vorratstank 17 in Richtung des Strömungskanals 16 lokal aus unterschiedlichen Materialien. Als lokale Anordnung ist z.B. ein schichtweiser Aufbau von Körnern 24 aus jeweils gleichem Material zu verstehen.
Durch die Auswahl der Materialien der Körner 24 eines Dochtorgans 20 lassen sich verschiedene Eigenschaften des Dochtorgans 20 einstellen. Insbesondere können Körner 24 mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten eingesetzt werden. Die unterschiedliche Materialauswahl der Körner 24 führt auch dazu, dass die Körner 24 z.B. kompressibel ausgebildet sein können. In Abhängigkeit der Größe des Anpressdruckes, mit dem die Körner 24 z.B. in der Ausnehmung 31 des Trägerelemente 29 gehalten werden, kann durch elastische Verformung aktiv Einfluss auf die Größe der Poren einzelner Körner 24 oder benachbarter Körner 24 genommen werden. Der Verdampferkartusche 10 kann optional ein Stellorgan zugeordnet sein, mittels dem im Betriebszustand der Verdampferkartusche 10 der Anpressdruck auf das Dochtorgan 20 einstellbar ist. Das Stellorgan kann z.B. ein Hebelelement, ein Drehelement oder jedes andere Pressmittel sein.
Es lassen sich - wie erwähnt - auch mehrschichtige Dochtorgane 20 bilden. In einer Ausführungsform kann eine erste Schicht mit Körnern 24 einer ersten Kornart gebildet sein. Eine zweite Schicht ist mit Körnern 24 einer zweiten Kornart gebildet. Eine dritte Schicht ist wieder mit der ersten Kornart gebildet. Die Körner 24 der zweiten Kornart in der mittleren Schicht weisen eine spezifische Eigenschaft auf, die z.B. mittels eines Mikrocontrollers der Steuereinheit 11 detektierbar ist. Während des Betriebs der Verdampferkartusche 10 führt z.B. eine Änderung der Benetzung der Körner 24 in der zweiten Schicht zu einer detektierbaren Änderung der spezifischen Eigenschaft der zweiten Kornart. Über den Mikrocontroller, der z.B. ein Sensor sein kann, wird diese Änderung detektiert. Mittels der Steuereinheit 11 kann dann in den Verdampfungsprozess regelnd eingegriffen werden, um z.B. einen so genannten Dry-Puff des Heizorganes 21 zu verhindern.
Die Körner 24 des Dochtorgans 20 können gleiche oder unterschiedliche geometrische Formen aufweisen. Die Körner 24 können beispielsweise nadelförmig, kugelförmig, in der Form eines Reiskorns oder auch dreieckig sein. Die Körner 24 können abgerundete Kanten aufweisen oder scharfkantig ausgebildet sein. Unter dem Begriff „Körner“ werden ausdrücklich keine faserigen Elemente verstanden, also keine dünnen, feinen, fadenförmigen Gebilde. In Abhängigkeit der jeweiligen Form der Körner 24 und deren Korngröße können z.B. longitudinale und/ oder sphärische Poren gebildet sein. Die Poren können auch unregelmäßig ausgebildet sein. Die Körner 24 können auch mindestens teilweise magnetisch sein. Dadurch lassen sich die Körner 24 z.B. während des Befüllens/Schüttens in den Aufnahmeraum 25 durch Anlegen eines externen Magnetfeldes in gewünschte Ausrichtungen ausrichten. Mit der Möglichkeit der Ausrichtung der Körner 24, z.B. können nadelförmige Körner 24 senkrecht zum Strömungskanal 16 ausgerichtet werden, lassen sich die Eigenschaften des Dochtorgans 20 individuell bestimmen, um das Dochtorgan 20 z.B. als Rückschlagventil oder als Steuerventil einsetzen zu können.
Wie bereits weiter oben angedeutet, weist die Verdampfereinheit 19 vorzugsweise ein separat zum Dochtorgan 20 ausgebildetes Heizorgan 21 auf, derart, dass eine Vorratstank-Dochtorgan-Heizorgan-Anordnung mit einer durchgehenden Fluidkopplung gebildet ist. Das Dochtorgan 20 und das Heizorgan 21 als separate Einheiten liegen in einem Kontaktbereich 29 aneinander, wobei das Dochtorgan 20 dem Vorratstank 17 zugewandt ist und das Heizorgan 21 dem Strömungskanal 16 zugewandt ist. In dieser Variante weist das Heizorgan 21 elektrische Kontakte 22 zur elektrischen Kontaktierung mit der Energiequelle 12 auf.
Das Dochtorgan 20 weist Mikrokanäle 23 auf. Das Heizorgan 21 ist flüssigkeits- und dampfpermeabel ausgebildet. Das Dochtorgan 20 kann in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet und eingerichtet sein. Mit seiner Austrittsseite liegt das Dochtorgan 20 an der Eintrittsseite des Heizorganes 21 an und bildet den Kontaktbereich 29. Das Heizorgan 21 selbst weist vorzugsweise lineare und/oder nicht lineare Durchgänge auf, die in den Strömungskanal 16 münden. Das Heizorgan 21 kann eine ebene oder gekrümmte oder anderweitig geformte Ausbildung aufweisen. Besonders bevorzugt ist das Heizorgan 21 ein im Wesentlichen aus Silizium bestehendes oder Silizium oder p- oder n-dotiertes Silizium aufweisendes MEMS-Bauteil (Micro-Electro-Mechanical-System), das ausgehend von einer dem Dochtorgan 20 zugewandten Oberseite bis zu einer dem Strömungskanal 16 zugewandten Unterseite flüssigkeits- und gas- bzw. dampfpermeable Durchgänge aufweist. Anders ausgedrückt stehen eine dem Dochtorgan 20 zugewandte erste Oberfläche des Heizorgans 21, die vorzugsweise glatt und besonders bevorzugt poliert ausgebildet ist, und eine dem Dochtorgan 20 abgewandte zweite Oberfläche des Heizorgans 21 in einer Fluidverbindung zueinander. Die minimale Korngröße der Körner 24 des Dochtorgans 20 ist mindestens im Kontaktbereich 29 zum Heizorgan 21 größer ist als der mittlere Durchmesser der Durchgänge des Heizorganes 21.
Die 5 bis 8 zeigen weitere Ausführungsformen möglicher Verdampferkartuschen 10. Bei diesen Ausführungsformen ist ein zylinderförmiges Gehäuse 30 zur Bildung eines Innenraums 31 vorgesehen, in dem als Strömungskanal 16 ein durchgängiger Schlot vorgesehen ist. Die Form des Gehäuses 33 kann jedoch beliebig sein. Der Hohlkörper 15 erstreckt sich über einen Teil des Strömungskanals 16. In dem Hohlkörper 15 ist der Aufnahmeraum 25 ausgebildet, in dem das Heizorgan 21 angeordnet ist. In der Variante der 5 und 6 teilt eine Gitterstruktur 32 den Innenraum 31 in zwei Bereiche 33, 34, wobei ein Bereich 33 als Vorratstank 17 für die Flüssigkeit und ein Bereich 34 zur Aufnahme des granularen Dochtorgans 20 dient. Die Gitterstruktur 32 ist unterhalb des Hohlkörpers 15 angeordnet, derart, dass das Dochtorgan 20 den Hohlkörper 15 vollständig umgibt und entsprechend auch das Heizorgan 21 abdeckt. Das granulare Dochtorgan 20, das in den 5 und 7 lediglich angedeutet und in den 6 und 8 der besseren Übersicht halber nicht dargestellt ist, besteht ausschließlich aus Körnern 24 eines Materials mit einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit, so dass das gesamte Dochtorgan 20 als Wärmeisolator wirkt.
In der Variante der 7 und 8 sind zwei Gitterstrukturen 35 und 36 vorgesehen, die den Innenraum in drei Bereiche 37, 38, 39 teilen. Die beiden Gitterstrukturen 35, 36 sind oberhalb und unterhalb des Aufnahmeraums 25 mit dem Heizorgan 21 angeordnet, derart, dass der mittlere Bereich 38, der zur Aufnahme des Dochtorgans 20 dient, den Hohlkörper 15 mindestens im Bereich des Heizorganes 21 abdeckt. In den anderen Bereichen 37, 39 kann Flüssigkeit bevorratet werden. Das Dochtorgan 20 aus Körnern 24 ist in diesem Beispiel mehrschichtig aufgebaut. Die mittlere, das Heizorgan 21 abdeckende Schicht ist aus Körnern 24 gebildet, die aus einem Material sehr geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen, so dass das Heizorgan 21 wärmeisolierend abgeschirmt ist. Die beiden dem Vorratstank 17 zugewandten Schichten können z.B. mit Körnern 24 gebildet sein, die aus einem Material bestehen, dessen Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit entspricht.
Das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Inhalators 14, der eine Verdampferkartusche 10 gemäß der Erfindung umfasst, wird beispielhaft anhand einer E-Zigarette als Inhalator 14 insbesondere mit Bezug auf die 1 beschrieben. Eine konsumierende Person saugt z.B. an einem Mundstück 40 des Inhalators 14, der aus dem Kartuschenträger 13 und der Verdampferkartusche 10 gebildet ist, wobei sich in dem Vorratstank 17 der Verdampferkartusche 10 eine Flüssigkeit befindet, die beispielsweise Glycerin, Propylenglycol und ggf. weitere Wirkstoffe und/oder Geschmacksstoffe enthält. Durch das Saugen wird in dem Strömungskanal 16 ein Unterdruck erzeugt, der seinerseits z.B. über einen nicht dargestellten Sensor die Steuereinheit 11 aktiviert. Die Steuereinheit 11 steuert das Heizorgan 21, das von der Energiequelle 12 mit Energie versorgt wird. Flüssigkeit aus dem Vorratstank 17 wird mittels des Dochtorgans 20 mindestens initial kapillar durch die Mikrokanäle 23 aus dem Vorratstank 17 in Richtung des Heizorganes 21 transportiert. Am bzw. im erwärmten Heizorgan 21 wird die Flüssigkeit zu Gas bzw. Dampf umgewandelt, wobei das Heizorgan 21 die Flüssigkeit bzw. das daraus gebildete Gas bzw. den Dampf aufgrund der flüssigkeits- und gas- bzw. dampfpermeablen Struktur in Richtung des Strömungskanals 16 transportiert und in diesem mit dem Luftstrom mischt, wodurch das eigentliche Aerosol erzeugt und anschließend von der konsumierenden Person angesaugt und inhaliert.

Claims

Verdampferkartusche (10) als Bestandteil eines Inhalators, umfassend einen Hohlkörper (15) mit einem durchgängigen Strömungskanal (16) sowie einen Vorratstank (17) zum Bevorraten von Flüssigkeit, wobei der Vorratstank (17) mindestens eine Zugangsöffnung (18) zum Strömungskanal (16) aufweist und im Bereich jeder Zugangsöffnung (18) eine sich über die gesamte Zugangsöffnung (18) erstreckende Verdampfereinheit (19) angeordnet ist, die ein Dochtorgan (20) und ein Heizorgan (21) aufweist, wobei die Verdampfereinheit (19) flüssigkeitspermeabel ausgebildet ist, derart, dass Flüssigkeit mindestens initial kapillar aus dem Vorratstank (17) durch die Verdampfereinheit (19) in Richtung des Strömungskanals (16) förderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dochtorgan (20) mindestens partiell als Wärmeisolator ausgebildet ist.
Verdampferkartusche (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dochtorgan (20) über seine Länge und/oder Höhe unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweist.
Verdampferkartusche (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dochtorgan (20) eine Wärmeleitfähigkeit WL₁ aufweist und die in dem Vorratstank (17) zu bevorratende bzw. bevorratete Flüssigkeit eine Wärmeleitfähigkeit WL₂ aufweist, wobei die Wärmeleitfähigkeiten WL₁ und WL₂ einander angeglichen sind.
Verdampferkartusche (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit WL₁ des Dochtorgans (20) maximal um den Faktor 10 größer ist als die Wärmeleitfähigkeit WL₂ der Flüssigkeit, besonders bevorzugt ist WL₁ maximal um den Faktor 5 größer als WL₂, und ganz besonders bevorzugt ist WL₁ maximal um den Faktor 1,5 größer als WL₂.
Verdampferkartusche (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit WL₁ des Dochtkörpers (20) gleich oder kleiner ist als die Wärmeleitfähigkeit WL₂ der Flüssigkeit.
Verdampferkartusche (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit WL₁ des Dochtorgans (20) ausgehend vom Vorratstank (17) in Richtung des Strömungskanals (16) abnimmt.
Verdampferkartusche (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dochtorgan (20) aus einer Vielzahl granulatartiger Körner (24) gebildet ist, die aufgrund ihrer Schüttung und/oder Ausbildung Mikrokanäle (23) bilden, die sich zur Herstellung einer Fluidverbindung zwischen dem Vorratstank (17) und dem Strömungskanal (16) durchgängig von einer Eintrittsseite E_D des Dochtorgans (20) zu einer Austrittsseite A_D des Dochtorgans (20) erstrecken.
Verdampferkartusche (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinheit (19) ein separat zum Dochtorgan (20) ausgebildetes Heizorgan (21) aufweist, derart, dass eine Vorratstank-Dochtorgan-Heizorgan-Anordnung mit einer durchgehenden Fluidkopplung gebildet ist.
Verdampferkartusche (10) nach Anspruch einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizorgan (21) ein im Wesentlichen aus Silizium bestehendes oder Silizium oder p- oder n-dotiertes Silizium aufweisendes MEMS-Bauteil (Micro-Electro-Mechanical-System) mit einer dem Dochtorgan (20) zugewandten ersten Oberfläche und einer dem zweiten Dochtorgan (20) abgewandten zweiten Oberfläche ist, wobei die beiden Oberflächen in einer Fluidverbindung zueinander stehen.
Verdampferkartusche (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das granulare Dochtorgan (20) aus mehreren Schichten von Körnern (24) unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeiten gebildet ist, wobei die dem Heizorgan (21) nächstliegende Schicht aus Körnern (24) mit der vergleichsweisen geringsten Wärmeleitfähigkeit gebildet ist.
Verdampferkartusche (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die an der ersten Oberfläche des Heizorgans (21) anliegenden Körner (24) des granularen Dochtorgans (20) aus einem wärmeisolierenden Material bestehen.
Inhalator (14), ausgebildet und eingerichtet zum Inhalieren von mit Wirkstoffen angereichertem Dampf, umfassend einen mindestens eine elektronische Steuereinheit (11) und eine Energiequelle (12) umfassenden Kartuschenträger (13) sowie eine Verdampferkartusche (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferkartusche (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet und eingerichtet ist.