DE102020125538A1

DE102020125538A1 - Anordnung zur Aerosolgenerierung

Info

Publication number: DE102020125538A1
Application number: DE102020125538.1A
Authority: DE
Inventors: Patrick Scheunemann
Original assignee: Hauni Maschinenbau GmbH
Current assignee: Koerber Technologies GmbH
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2022-03-31
Also published as: WO2022069226A1; EP4221522A1; CN116234457A; US20230363462A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Aerosolgenerierung, umfassend eine Verdampferkammer, ein Mundstück mit einem Auslass für Aerosol und eine Mischkammer mit einem Lufteinlass, wobei in der Verdampferkammer ein elektrisches Heizelement zum Verdampfen einer Flüssigkeit angeordnet ist, welches mit einem Dochtmaterial in Kontakt steht, welches dazu eingerichtet ist, dem elektrischen Heizelement die zu verdampfende Flüssigkeit zuzuführen, wobei die Verdampferkammer wenigstens eine erste Düse umfasst, die so in der Wand der Verdampferkammer angeordnet ist, dass durch diese eine fluidleitende Verbindung zwischen der Verdampferkammer und der Mischkammer gebildet wird, so dass die in der Verdampferkammer verdampfte Flüssigkeit als Dampf-Freistrahl in die Mischkammer eintreten kann, wobei die Anordnung so ausgelegt ist, dass der Dampf-Freistrahl in der Mischkammer zur Erzeugung eines Aerosols mit einer über den Lufteinlass eintretenden Luftströmung gemischt werden und das erzeugte Aerosol über den Auslass des Mundstücks aus der Anordnung austreten kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Aerosolgenerierung, eine Kartusche für ein Verdampfersystem umfassend eine entsprechende Anordnung, ein Verdampfersystem umfassend eine solche Kartusche und ein Verfahren zur Aerosolgenerierung.
Der Gegenstand der Erfindung ist in den beigefügten Patentansprüchen definiert.
Es ist bekannt, dass die Verabreichung von Wirkstoffen über die Atemwege eine effiziente und schonende Methode ist, dem menschlichen oder tierischen Körper physiologisch wirksame Substanzen zuzuführen, wobei insbesondere klassische Inhalationsverfahren, die mit teils einfachsten Mitteln ausgeführt werden können, sowohl in der Schulmedizin als auch unter den Hausmitteln einen festen Platz gefunden haben. In diesen einfachen Verfahren wird üblicherweise ein in einer Trägersubstanz, häufig Wasser, gelöster Wirkstoff in einem Topf oder vergleichbaren Gefäß erhitzt und dadurch zum Verdampfen gebracht.
Bedingt durch die in vielen Teilen der Welt vermehrt kritische Bewertung des Rauchens, also des Konsums von Tabakprodukten durch deren Verbrennung und Inhalation des entstehenden Rauchs, beispielsweise in der Form von Zigaretten oder Zigarren, rückten in den letzten Jahren solche Inhalationsverfahren vermehrt in den Fokus des Interesses, bei denen die physiologisch wirksamen Stoffe, die traditionell über den Tabakrauch aufgenommen werden, stattdessen über entsprechende Inhalationsverfahren appliziert werden, die ohne das Verbrennen von Tabak auskommen, wobei dieses Konzept auch auf weitere Wirkstoffe übertragen wird, die ansonsten häufig mit Rauchen assoziiert werden, wie beispielsweise Tetrahydrocannabinol (THC) und andere Cannabinoide.
Die fortschreitende technische Entwicklung hat es dabei ermöglicht, entsprechende Verdampfersysteme zum Verdampfen einer wirkstoffhaltigen Zusammensetzung immer kleiner auszulegen, so dass heute Verdampfersysteme verfügbar sind, mit denen die Verdampfung einer wirkstoffhaltigen Zusammensetzung in einem tragbaren Handgerät erfolgen kann, welches beispielsweise die Größe einer traditionellen Zigarre oder einer Zigarettenschachtel aufweisen kann. Die prominentesten Anwendungen für entsprechende Verdampfersysteme sind elektronische Zigaretten und Inhalatoren für medizinische Anwendungen.
Die heute bekannten Systeme basieren zumeist darauf, dass eine in einem Reservoir gespeicherte Zusammensetzung, welche regelmäßig als Liquid bezeichnet wird, durch mehr oder weniger kontrollierte Zuführung thermischer Energie aus einem Heizelement, z.B. einer Heizdrahtwendel, verdampft wird, so dass der Nutzer die entstehenden Dämpfe inhalieren kann. Die Zuführung des Liquids aus dem Reservoir zum Heizelement erfolgt dabei häufig durch einen Docht, so dass häufig auch von Docht-Wendel-Systemen gesprochen wird. Ein entsprechendes System ist beispielsweise in der US 20140096782 A1 offenbart.
Das verdampfte Liquid bildet im Zusammenfluss mit Luft in dem Verdampfersystem ein Aerosol, das feine Tropfen enthält, die durch Kondensation aus der Gasphase entstehen. Teile des verdampften Liquids verbleiben dabei üblicherweise im gasförmigen Zustand, wobei es in vielen handelsüblichen Systemen auch möglich ist, dass darüber hinaus größere Tropfen im Aerosol enthalten sind, die beim Sieden aus der Flüssigphase herausgeschleudert werden.
Eine große Herausforderung bei Verdampfersystemen, die als Ersatz für herkömmliche Zigaretten vorgesehen sind, ist es, für den Benutzer ein mit herkömmlichen Zigarettenprodukten vergleichbares Rauchempfinden zu schaffen, sodass der Benutzer bei Verwendung des Verdampfersystems eine mit der herkömmlichen Zigarette vergleichbare Raucherfahrung macht. Bei der Verwendung entsprechender Verdampfersysteme im medizinischen Bereich steht hingegen im Vordergrund, dass die Applikation des enthaltenen Wirkstoffes zielgenau in einem vorgesehenen Bereich der Atemwege erfolgen kann. In beiden Fällen müssen diese Vorgaben idealerweise über eine große Zahl von Verwendungen hinweg gleichbleibend umsetzbar sein.
In umfassenden Versuchsreihen haben die Erfinder diese Aspekte, d.h. den der optimalen Raucherfahrung bzw. der gezielten Applikation medizinischer Wirkstoffe im Atemtrakt, untersucht. Beide Effekte werden nach Erkenntnis der Erfinder wohl maßgeblich durch die Größe der im Aerosol erzeugten Tröpfchen und insbesondere deren Tröpfchengrößenverteilung bestimmt. So werden Tröpfchen im Durchmesserbereich von ca. 1 bis 5 µm bevorzugt in den unteren Atemwegen abgeschieden, wohingegen Tröpfchen über 8 µm weitgehend in den oberen Atemwegen verbleiben. Sehr feine Tropfen werden vom Benutzer hingegen teilweise wieder ausgeatmet.
Die Eindringtiefe der erzeugten Tröpfchen in den Atemtrakt ist nach Erkenntnissen der Erfinder für die Frage relevant, ob mit einem Verdampfersystem ein dem klassischen Rauchprodukt ähnliches Raucherlebnis erzielt werden kann. Die Erfinder haben im Zuge der eigenen Untersuchungen erkannt, dass es zur Bereitstellung von Verdampfersystemen, die ein optimales Konsumerlebnis ermöglichen bzw. von medizinischen Inhalatoren, die eine optimale Applikation der enthaltenen Wirkstoffe ermöglichen, wichtig ist, eine möglichst gleichbleibende und reproduzierbare Aerosolqualität zu erreichen, die idealerweise durch eine gezielt einstellbare Tröpfchengrößenverteilung gekennzeichnet sein sollte. Insoweit wurde festgestellt, dass herkömmliche aus dem Stand der Technik bekannte Verdampfersysteme, insbesondere Docht-Wendel-Systeme, diesen Anforderungen regelmäßig nicht genügen.
Die übergeordnete Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine Anordnung zu Aerosolgenerierung anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik behebt oder zumindest vermindert.
Es war eine besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Aerosolgenerierung anzugeben, welche ein Aerosol mit einer besonders hohen Qualität erzeugen kann. Dabei war es eine Vorgabe, dass die Anordnung zur Aerosolgenerierung das Aerosol auch über zahlreiche Benutzungen hinweg in möglichst gleichbleibender Qualität erzeugen können sollte.
Zudem war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass die Anordnung zur Aerosolgenerierung ein Aerosol erzeugen kann, dessen mittlere Tröpfchengröße gezielt einstellbar ist und dessen Tröpfchengrößenverteilung möglichst eng ist. Hierbei war es eine ergänzende Aufgabe, dass die Anordnung zur Aerosolgenerierung in der Lage sein sollte, ein Aerosol bereitzustellen, welches eine besonders kleine mittlere Tröpfchengröße aufweist, um damit ein tiefes Eindringen des Aerosols in den Atemtrakt zu ermöglichen.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung war es darüber hinaus, eine Anordnung zur Aerosolgenerierung anzugeben, bei der das ungewollte Mitreißen von größeren, nicht verdampften Tropfen aus der zu verdampfenden Flüssigkeit zuverlässig verhindert wird.
Idealerweise sollten die vorstehend angegebene Aufgaben mit vergleichsweise geringen Modifikationen herkömmlicher Verdampfersysteme realisierbar sein. Zudem sollte die Anordnung zur Aerosolgenerierung verteilhafterweise hinsichtlich der erzeugten Aerosolmenge, d.h. der aus dem Mundstück für jeden verdampften Milliliter Liquid erzielbaren Aerosolausbeute, zumindest genauso leistungsstark sein wie die aus dem Stand der Technik bekannten Verdampfersysteme.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Lösung der vorstehend beschriebenen Aufgaben durch eine kontrollierte Führung der im Inneren des Verdampfersystems auftretenden Fluidströmungen möglich ist. In den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen wird der zur Aerosolerzeugung benötigte Luftstrom zumeist direkt über die Oberfläche des erhitzten und verdampften Liquids geführt, beispielsweise durch ein unmittelbares Umströmen eines Docht-Wendel-Aufbaus. Hierbei besteht nicht nur die Gefahr, dass ungewollt größere, nicht verdampfte Tropfen des Liquids mitgerissen werden, sondern nach Erkenntnis der Erfinder kann es über der Oberfläche der siedenden Flüssigkeit zu örtlich stark schwankenden Vermischungsverhältnissen zwischen Dampf und Luft kommen, die einer kontrollierten Aerosolbildung, insbesondere einer kontrollierten Aerosolbildung mit einer engen Tröpfchengrößenverteilung, im Wege stehen. Bei diesen Aufbauten sind insbesondere die Möglichkeiten regelmäßig gering, gezielten Einfluss auf die Tröpfchengröße bzw. die Tröpfchengrößenverteilung zu nehmen, insbesondere da die Fluidströmungen im Inneren dieser Verdampfersysteme bedingt durch ein unterschiedliches Saugverhalten der Benutzer stark variieren kann.
Überraschend wurde nun gefunden, dass die zur Lösung der vorstehend genannten Aufgaben benötigte kontrollierte Fluidführung realisiert werden kann, wenn der von einem elektrischen Heizelement aus einer zu verdampfenden Flüssigkeit erzeugte Dampf nicht unkontrolliert in eine Mischkammer eintritt, in der die Vermischung mit einem Luftstrom erfolgt, sondern eine Anordnung zur Aerosolgenerierung vorgesehen wird, in der der entstehende Dampf kontrolliert, d.h. als Dampf-Freistrahl, in die Mischkammer geführt wird. Dies wird dadurch realisiert, dass eine Verdampferkammer vorgesehen wird, aus der der Dampf-Freistrahl durch eine in der Wand der Verdampferkammer angeordneten Düse entweichen kann, durch die der Dampf aufgrund des eigenen Dampfdrucks in der Verdampferkammer getrieben wird. Durch diese Anordnung ist es möglich, in der Mischkammer eine kontrollierte und möglichst gleichmäßige Vermischung von Luft und Dampf zu erreichen, mit der eine hohe Stabilität und Reproduzierbarkeit der Aerosoleigenschaften erreicht wird.
Durch eine entsprechende Anordnung kann die Aerosolbildung in der Mischkammer in einem möglichst großen Abstand zu den Wandbereichen erfolgen, wodurch ein Verlust von Aerosol durch ungewollte Kondensation verringert wird. Mit einer entsprechenden Anordnung zur Aerosolgenerierung lassen sich zudem besonders kleine mittlere Tröpfchengrößen und besonders vorteilhaft enge Tröpfchengrößenverteilungen erreichen.
Ohne an diese Theorie gebunden sein zu wollen, gehen die Erfinder davon aus, dass die Anzahl der durch homogene Nukleation gebildeten initialen Tropfen, die als Keime für die weitere Kondensation dienen können, von der zeitlichen Änderungsrate des Luftmassenbruchs beim Erreichen eines kritischen Luftmassenbruchs in der Strömung abhängt. Der kritische Luftmassenbruch hängt dabei von der verdampften Substanz und den Temperaturen der miteinander vermischten Fluide zusammen.
Es verhält sich wohl so, dass -zumindest im praktisch wohl relevanten Größenbereich- eine möglichst große Änderungsrate, die ein mitbewegtes kleines Volumen in der Strömung beim Erreichen der kritischen Situation erfährt, zu einer größeren Anzahl an gebildeten Tropfen führt, wobei nicht ausgeschlossen werden kann, dass eine extrem hohe Änderungsrate zu einem zu schnellen Durchlaufen des kritischen Bereichs führen kann, was sich nachteilig auf die Keimzahl auswirken könnte. Diese große Anzahl der durch homogene Nukleation gebildeten Tropfen führt zu einer kleinen mittleren Tröpfchengröße und einer engen Tröpfchengrößenverteilung. Somit haben die Erfinder erkannt, dass eine möglichst rasche Vermischung von Luft und Dampf realisiert werden muss, wenn eine geringe mittlere Tröpfchengröße und eine enge Tröpfchengrößenverteilung das Ziel sind.
Den Erfindern ist es im Rahmen der Entwicklung gelungen, durch die Verwendung eines Dampf-Freistrahls eben diese vorstehend beschriebenen Bedingungen der kontrollierten und raschen Vermischung der Fluide zum Erzeugen einer großen zeitlichen Änderungsrate des Luftmassenbruchs zu realisieren. Hierbei hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass durch den Einsatz eines Dampf-Freistrahls gegenüber dem Stand der Technik lokale Schwankungen in der Dampfkonzentration vermindert werden können, die in den aus dem Stand der Technik bekannten Verdampfersystemen die Verteilungsbreite der Partikelgrößen unvorteilhafterweise erhöhen.
Durch den Einsatz eines Dampf-Freistrahls lassen sich, insbesondere im Bereich der laminaren Strömung des Dampf-Freistrahls, nämlich besonders kontrollierte und gleichbleibende Bedingungen erzielen, bei denen die Durchmischung von Dampf- und Luft hauptsächlich von der Diffusionsgeschwindigkeit der geschichteten Strömungen abhängt, was bei der Konzeption eines Verdampfersystems besonders gut zu kontrollieren ist. Darüber hinaus ergeben sich im turbulenten Bereich des Dampf-Freistrahls gegenüber dem Stand der Technik besonders hochfrequente und kleinräumige Turbulenzen, die ebenfalls eine besonders schnelle und schwankungsarme Durchmischung mit der umgebenden Luft und dadurch eine effiziente Aerosolgenerierung ermöglichen.
Im Lichte dieser Ausführungen erkennt der Fachmann, dass die zuvor genannten Aufgaben durch Anordnungen, Kartuschen, Verdampfersysteme und Verfahren gelöst werden, wie sie in den Ansprüchen definiert sind. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungen.
Solche Merkmale erfindungsgemäßer Kartuschen, Verdampfersysteme und Verfahren, die nachfolgend als bevorzugt bezeichnet sind, werden in besonders bevorzugten Ausführungsformen mit anderen als bevorzugt bezeichneten Merkmalen kombiniert. Ganz besonders bevorzugt sind somit Kombinationen von zwei oder mehr der nachfolgend als besonders bevorzugt bezeichneten Gegenstände.
Bevorzugte Merkmale entsprechender erfindungsgemäßer Kartuschen, Verdampfersysteme und Verfahren ergeben sich aus den Merkmalen bevorzugter erfindungsgemäßer Anordnungen.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Aerosolgenerierung, umfassend eine Verdampferkammer, ein Mundstück mit einem Auslass für Aerosol und eine Mischkammer mit einem Lufteinlass,
wobei in der Verdampferkammer ein elektrisches Heizelement zum Verdampfen einer Flüssigkeit angeordnet ist, welches mit einem Dochtmaterial, d.h. einem porösen Material mit Kapillarwirkung, in Kontakt steht, welches dazu eingerichtet ist, dem elektrischen Heizelement die zu verdampfende Flüssigkeit zuzuführen,
wobei die Verdampferkammer wenigstens eine erste Düse umfasst, die so in der Wand der Verdampferkammer angeordnet ist, dass durch diese eine fluidleitende Verbindung zwischen der Verdampferkammer und der Mischkammer gebildet wird, so dass die in der Verdampferkammer verdampfte Flüssigkeit als Dampf-Freistrahl in die Mischkammer eintreten kann,
wobei die Anordnung so ausgelegt ist, dass der Dampf-Freistrahl in der Mischkammer zur Erzeugung eines Aerosols mit einer über den Lufteinlass eintretenden Luftströmung gemischt werden und das erzeugte Aerosol über den Auslass des Mundstücks aus der Anordnung austreten kann.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst eine Verdampferkammer, ein Mundstück mit einem Auslass für ein Aerosol und eine Mischkammer mit einem Lufteinlass. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Verdampferkammer und die Mischkammer dabei als durch konstruktive Maßnahmen zumindest teilweise voneinander getrennte Kammern zu verstehen. Anders als im Stand der Technik, in dem die Verdampferkammer zumeist auch die Kammer ist, in der die Vermischung des erzeugten Dampfes mit zugeführter Luft erfolgt, umfasst die erfindungsgemäße Anordnung somit zumindest zwei separate Kammern, die durch konstruktive Maßnahmen zumindest teilweise voneinander getrennt sind, sodass ein Fluid nicht gänzlich ungehindert von der Verdampferkammer in die Mischkammer übertreten kann. Dabei sind solche erfindungsgemäßen Anordnungen ganz besonders bevorzugt, in denen ein in der Verdampferkammer erzeugter Dampf im Wesentlichen ausschließlich über die erste Düse in die Mischkammer eintreten kann.
Erfindungsgemäß weist die Mischkammer einen Lufteinlass auf. In der einfachsten Ausgestaltung kann dieser Lufteinlass eine simple Ausnehmung in der Wand der Mischkammer sein. Der Lufteinlass dient dem Zweck, dass bei Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung, d.h. dem Saugen eines Benutzers am Mundstück, Luft von außerhalb der Anordnung in die Mischkammer eintreten kann, um auf diese Weise nicht nur einen Druckausgleich zu ermöglichen, sondern auch die zur Aerosolgenerierung benötigte Luft als Luftströmung bereitzustellen. Bevorzugt sind erfindungsgemäße Anordnungen, wobei am Lufteinlass bzw. in einer Zuleitung zum Lufteinlass ein Luftfilter zum Filtern der in die Mischkammer eintretenden Luftströmung angeordnet ist oder wobei der Lufteinlass mit einem ergänzenden Tank zur Aufnahme von sauberer Luft verbunden ist, wobei der ergänzende Tank vorzugsweise ein Druckbehälter ist.
In der erfindungsgemäßen Anordnung umfasst die Verdampferkammer ein elektrisches Heizelement. Dieses elektrische Heizelement dient zum Verdampfen einer Flüssigkeit, die über ein mit dem elektrischen Heizelement in Kontakt stehendes Dochtmaterial zugeführt werden kann. Durch das elektrische Heizelement ist es möglich, eine zu verdampfende Flüssigkeit innerhalb der Verdampferkammer in die Gasphase zu überführen und somit einen Dampf zu erzeugen.
Erfindungsgemäß umfasst die Verdampferkammer wenigsten eine erste Düse, durch die der erzeugte Dampf in die Mischkammer eintreten kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Ausdruck Düse, in Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis, eine technische Vorrichtung zur Beeinflussung einer Fluidströmung beim Übertritt aus der Verdampferkammer in die Mischkammer, durch die der Druck des in der Verdampferkammer durch Verdampfung der Flüssigkeit entstehenden Dampfes in Bewegungsenergie des Dampfes verwandelt wird. Die Düse kann dabei beispielsweise einen konstanten Querschnitt aufweisen, sich verjüngen oder auch komplexere Formen aufweisen.
Aus funktionaler Sicht muss die Düse in der Lage sein, den im Inneren der Verdampferkammer aufgebauten Druck an Dampf in kinetische Energie des Dampfes umzusetzen, sodass dieser als Dampf-Freistrahl in die Mischkammer eintritt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Freistrahl eine nicht durch Wände begrenzte Strömung aus einer Düse in einen freien Raum, sodass der aus der Düse ausströmende Dampf und das in der Mischkammer befindliche Gas unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen, wobei das den Freistrahl umgebende Gas von diesem regelmäßig angesaugt und mitgerissen werden wird.
In der einfachsten erfindungsgemäßen Anordnung umfasst die Verdampferkammer lediglich eine erste Düse. Es ist jedoch ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, dass sich die Strömungseigenschaften des Dampf-Freistrahls auch dadurch anpassen lassen, dass mehr als eine erste Düse vorgesehen werden können, aus denen der Dampf jeweils als Dampf-Freistrahl in die Mischkammer eintreten kann. Dies ist auch deshalb besonders vorteilhaft, weil so beispielsweise durch die Wahl unterschiedlich großer und hinsichtlich ihrer Form unterschiedlich ausgestalteter Düsen gezielt auch komplexe Verteilungen von Partikelgrößen realisiert werden können, in dem es zu einer Überlagerung der mit jedem einzelnen Dampf-Freistrahl erzielten Partikelgrößen kommt. Dies ermöglicht es beispielsweise, simultan zwei unterschiedliche Wirkstoffe in unterschiedlichen Bereichen des Atemtraktes zu applizieren.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist so ausgelegt, dass der aus der Verdampferkammer durch die Düse austretende Dampf-Freistrahl in der Mischkammer mit einer über den Lufteinlass eintretenden Luftströmung gemischt wird, sodass es zu einer Temperatursenkung des entstehenden Gemischs in der Mischkammer und einer sehr hohen Übersättigung kommt, die zur homogenen Kondensation, d.h. zur homogenen Nukleation, mit der erwünschten hohen Keimbildungsrate führt.
Die zumindest eine erste Düse kann entweder als separates Bauteil vorgesehen werden, welches in der Wand der Verdampferkammer befestigt wird, oder kann in einfachen Ausgestaltungen auch direkt durch die Wand der Verdampferkammer gebildet werden, sodass diese durch ihre Konstruktion eine Düse als Austrittsöffnung in die Mischkammer bildet. Bevorzugt ist insoweit aus Kostengründen eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei die zumindest eine erste Düse durch die Wand der Verdampferkammer gebildet wird.
In eigenen Versuchen und zugehörigen Simulationen hat sich gezeigt, dass die besten Resultate mit erfindungsgemäßen Anordnungen erzielt werden, bei denen das Heizelement und die erste Düse an unterschiedlichen Seiten der Verdampferkammer angeordnet sind, insbesondere an gegenüberliegenden Seiten. Dies ermöglicht es nach Erkenntnis der Erfinder einen möglichst gleichmäßigen Druckaufbau im Inneren der Verdampferkammer und dadurch einen möglichst gleichmäßig ausgebildeten Dampf-Freistrahl zu erzeugen, mit dem bei der Aerosolgenerierung häufig die besten Ergebnisse erzielt werden können.
Insbesondere in solchen Fällen, in denen flächige elektrische Heizelemente verwendet werden, beispielsweise flache Heizerchips oder beheizbare Drahtgeflechte, kann das elektrische Heizelement auch in die Wand der Verdampferkammer integriert sein. Dies bedeutet, dass die Verdampferkammer zumindest abschnittsweise von dem elektrischen Heizelement begrenzt wird. Bevorzugt ist daher eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei das elektrische Heizelement so in der Verdampferkammer angeordnet ist, dass das elektrische Heizelement einen Teil der Verdampferkammer, bevorzugt einen Teil der Wand der Verdampferkammer, bildet.
Auch wenn dies in vielen Fällen nicht bevorzugt ist, ist es im Lichte der vorstehenden Ausführungen auch möglich, dass das elektrische Heizelement nicht nur ein Teil der Wand der Verdampferkammer bildet, sondern durch seine Geometrie gleichzeitig auch die erste Düse bzw. eine der ersten Düsen bzw. sämtliche ersten Düsen ausbildet. Beispielsweise kann ein flächiger Heizerchip mit durchgehenden Ausnehmungen ausgebildet sein, die als Düsen funktionieren, durch die der unterhalb des Heizerchips im Kontaktbereich des Dochtes erzeugte Dampf als Dampf-Freistrahl in die Mischkammer eintreten kann. Bevorzugt sind also erfindungsgemäße Anordnungen, wobei die zumindest eine erste Düse durch ein von dem elektrischen Heizelement separates Bauteil oder durch das in der Wand der Verdampferkammer angeordnete Heizelement gebildet wird, wobei die zumindest eine erste Düse ganz besonders bevorzugt durch ein von dem elektrischen Heizelement separates Bauteil gebildet wird.
Im Zuge der Entwicklung der Erfindung wurde zunächst noch angenommen, dass zur Lösung der vorstehend definierten Aufgaben die erfindungsgemäße Anordnung zwangsläufig so ausgelegt werden müsste, dass auch die Luftströmung als Luft-Freistrahl in die Mischkammer eintritt. Im Zuge der weiteren Entwicklung der Erfindung hat sich jedoch gezeigt, dass dies nicht nötig ist und dass das wesentliche Merkmal zur Lösung der vorstehend beschriebenen Aufgaben die erfindungsgemäße Anordnung mit der entsprechenden ersten Düse und die entsprechende Ausgestaltung des Dampfstroms als Dampf-Freistrahl ist. Trotzdem hat sich gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Anordnung, in der auch die Luftströmung als Luft-Freistrahl in die Mischkammer eintritt, gerade für bestimmte Anwendungen Vorteile bieten kann, insbesondere da die Kontrollierbarkeit der Aerosolbildung weiter gesteigert wird und der Fachmann eine zusätzliche Einstellmöglichkeit zur Feinjustierung der Aerosolbildung bekommt. In diesen Versuchen hat sich dabei gezeigt, dass sich die wünschenswerten hohen Durchmischungsraten insbesondere mit solchen zweiten Düsen realisieren lassen, die als sich zur Mischkammer hin verjüngende Düsen ausgebildet sind, wobei sich insbesondere das von einer Flachdüse erzeugte Strömungsprofil als besonders leistungsfähig erwiesen hat.
Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei der Lufteinlass zumindest eine zweite Düse umfasst, so dass die eintretende Luftströmung als Luft-Freistrahl in die Mischkammer eintreten kann, wobei die zumindest eine zweite Düse vorzugsweise eine sich zum Inneren der Mischkammer hin verjüngende Düse ist und/oder wobei die zumindest eine zweite Düse vorzugsweise eine Flachdüse, bevorzugt eine Flachdüse mit rechteckigem Querschnitt, ist, wobei die kombinierte Querschnittsfläche sämtlicher zweiter Düsen vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 10 mm², bevorzugt 1 bis 4 mm², liegt.
Wenn die vorstehend offenbarte erfindungsgemäße Anordnung unter Verwendung einer ersten und einer zweiten Düse verwendet wird, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Bestandteile der erfindungsgemäßen Anordnung so auszurichten, dass sich der Dampf-Freistrahl und der Luft-Freistrahl in der Mischkammer kreuzen. Hierbei wurde festgestellt, dass hinsichtlich des Schnittwinkels zwischen den Mittelstrahlen der beiden Freistrahlen ein großes Spektrum an Winkeln möglich ist, wodurch vorteilhafterweise ein besonders hoher konstruktiver Freiheitsgrad erhalten wird. Jedoch hat sich gezeigt, dass besonders gute Aerosolqualitäten mit einer möglichst engen Tröpfchengrößenverteilung insbesondere dann erreicht werden, wenn der Winkel zwischen den Freistrahlen so gewählt wird, dass diese möglichst orthogonal aufeinandertreffen.
Entsprechend ist eine bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung bevorzugt, wobei der Lufteinlass und die Verdampferkammer so angeordnet sind, dass sich der Dampf-Freistrahl und der Luft-Freistrahl in der Mischkammer kreuzen, vorzugsweise im Bereich der laminaren Strömung, sodass die Mittelstrahlen des Dampf-Freistrahls und des Luft-Freistrahls einen Winkel im Bereich von 5° bis 175°, bevorzugt 30° bis 150°, besonders bevorzugt 50° bis 130°, ganz besonders bevorzugt 70° bis 110°, einschließen, wobei der Winkel vorzugsweise im Wesentlichen 90° beträgt.
Als Alternative zu der vorstehend beschriebenen Anordnung, die eher eine unmittelbare Durchmischung der zwei gerichteten Freistrahlen ausnutzt, haben sich für bestimmte Anwendungen solche erfindungsgemäßen Anordnungen als besonders vorteilhaft erwiesen, in denen die Aerosolbildung vor allem im Grenzbereich zwischen dem Dampf-Freistrahl und der eintretenden Luftströmung erfolgt, d.h. bei denen die Aerosolbildung vor allem durch die Diffusion an der Grenzschicht bedingt ist, was vorteilhafterweise auch eine zusätzliche Steuerung des Aerosolbildungsprozesses über die Temperatur der verwendeten Fluide ermöglicht. Somit ist eine bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung bevorzugt, wobei der Lufteinlass und die Verdampferkammer so angeordnet sind, dass der Dampf-Freistrahl und die eintretende Luftströmung in der Mischkammer zumindest abschnittsweise im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Hierfür müssen der Dampf-Freistrahl bzw. die erste Düse der Verdampferkammer und der Lufteinlass entweder unmittelbar so angeordnet werden, dass die Luftströmung und der Dampf-Freistrahl im Inneren der Mischkammer zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen oder es müssen in der Mischkammer ein oder mehrere Luftführungselemente vorgesehen sein, sodass eine zumindest abschnittsweise parallele Führung ermöglicht wird. Hierbei hat es sich natürlich als zielführend erwiesen, entsprechende Luftführungselemente für die Luftströmung vorzusehen und nicht für den Dampf-Freistrahl, insbesondere da eine Umlenkung des Dampf-Freistrahls auch zu einer ungewollten Kondensation an den Luftführungselementen führen würde. Bevorzugt ist daher eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei der Lufteinlass und die zumindest eine erste Düse der Verdampferkammer so angeordnet sind, dass der Dampf-Freistrahl und die eintretende Luftströmung in der Mischkammer zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen, oder wobei in der Mischkammer ein oder mehrere Luftführungselemente so angeordnet sind, dass der Dampf-Freistrahl und die eintretende Luftströmung in der Mischkammer zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen. In Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis bedeutet der Ausdruck parallel im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Fluidströmungen im Wesentlichen parallel verlaufen, wobei ein von den Strömungen eingeschlossener Winkel von 5° oder weniger, bevorzugt 2° oder weniger, besonders bevorzugt 1° oder weniger, als im Wesentlichen parallel angesehen werden kann.
Für die vorstehend beschriebene bevorzugte Anordnung, in der die Fluidströmungen zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen, haben sich zwei konstruktive Anordnungen besonders bewährt. In der ersten Variante werden auf verschiedenen, gegenüberliegenden Seiten der ersten Düse Lufteinlässe vorgesehen, sodass der durch diese eintretende Luftstrom den Dampf-Freistrahl an zumindest zwei Seiten flankiert und umströmt, um somit einen besonders großen Kontaktbereich zu erzeugen, in dem die Aerosolgenerierung im Grenzbereich unter vergleichbaren Bedingungen erfolgt. Dies hat sich hinsichtlich der Reproduzierbarkeit und der erhaltenen Teilchengrößenverteilung als vorteilhafter erwiesen, als wenn der Luftstrom lediglich von einer Seite in die Mischkammer eintritt und den Dampf-Freistrahl zunächst umströmen muss, um auch auf der dem Lufteinlass abgewandten Seite des Dampf-Freistrahls die Aerosolbildung zu bedingen. In diesem Fall zeigen sich nämlich auf den unterschiedlichen Seiten des Dampf-Freistrahls unterschiedliche Kondensationbedingungen, die inhärent auch zu unterschiedlichen mittleren Tröpfchengrößen und breiteren Tröpfchengrößenverteilungen führen.
Als alternative Ausgestaltung zu dem vorstehend beschriebenen Ansatz hat sich eine erfindungsgemäße Anordnung erwiesen, bei der ein einzelner Lufteinlass um die erste Düse oder die ersten Düsen herum ausgebildet wird, sodass sich beispielsweise ein ringförmiger Lufteinlass koaxial um die erste Düse herum erstreckt. Die entsprechende Anordnung erzeugt auf allen Seiten des Dampf-Freistrahls möglichst gleichmäßig Bedingungen und hat sich als eine der Anordnungen erwiesen, bei denen der Bereich der parallel laufenden laminaren Strömungen zwischen der eintretenden Luftströmung und dem Dampf-Freistrahl im Mischraum über besonders lange Strecken hinweg so gleichbleibend ist, dass die Aerosolgenerierung vorteilhafterweise besonders stark durch die Diffusionsprozesse an der Grenzschicht geprägt wird. Demnach ist eine erfindungsgemäße Anordnung bevorzugt, wobei die Mischkammer zumindest zwei Lufteinlässe oder einen die zumindest eine erste Düse umgebenden einzelnen Lufteinlass aufweist, die oder der so angeordnet sind oder ist, dass die eintretende Luftströmung in der Mischkammer zumindest abschnittsweise auf zwei Seiten des Dampf-Freistrahls parallel zum Dampf-Freistrahl verläuft.
Wie zuvor bereits für die zweite Düse offenbart, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die zumindest eine erste Düse bzw. alle ersten Düsen, als sich zur Mischkammer verjüngende Düsen auszubilden. Solche Düsen, die auch als Konfuser bezeichnet werden, sind besonders gut dafür geeignet, die Geschwindigkeit des aus der Verdampferkammer austretenden Dampfes zu erhöhen und einen für die Erfindung möglichst günstigen Dampf-Freistrahl zu erhalten. Als ganz besonders vorteilhaft hat sich auch für die erste Düse eine Ausgestaltung erwiesen, in der die erste Düse eine Flachdüse ist. Eine solche Flachdüse erzeugt bei gleichem Volumenstrom einen Dampf-Freistrahl mit besonders großer Oberfläche, wodurch ein großer Grenzbereich zu der umgebenden Luftströmung erhalten wird, in dem die Aerosolbildung durch Kondensation besonders effizient erfolgen kann. Mit entsprechenden Flachdüsen werden nach Erkenntnis der Erfinder besonders weitgehend kondensierte Aerosole, d.h. dichte Aerosole, erhalten, in denen die mittlere Tröpfchengröße bedingt durch die hohe Zahl an initialen Keimen besonders niedrig ist. Als ganz besonders bevorzugt hat sich dabei die Kombination erwiesen, dass sowohl die erste als auch die zweite Düse als Flachdüsen ausgebildet sind, da die erhaltenen Freistrahlen mit flachem Profil im Falle von sich kreuzenden Freistrahlen einen mit Blick auf das Volumen vergleichsweise kleinen und wohl definierten Kreuzungsbereich aufweisen, wodurch eine besonders kontrollierte Aerosolbildung möglich wird.
Bevorzugt ist entsprechend eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei die zumindest eine erste Düse eine sich zur Mischkammer hin verjüngende Düse ist, und/oder wobei die kombinierte Querschnittsfläche sämtlicher ersten Düsen im Bereich von 0,01 bis 1 mm², bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 0,8 mm², besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm², ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,15 bis 0,4 mm², liegt, und/oder wobei die zumindest eine erste Düse eine Flachdüse, bevorzugt eine Flachdüse mit rechteckigem Querschnitt, ist, vorzugsweise mit einer Spaltweite von 0,3 mm oder weniger, bevorzugt 0,2 mm oder weniger, besonders bevorzugt 0,05 mm oder weniger.
Die Erfinder haben erkannt, dass es zum Erreichen einer möglichst vorteilhaften Aerosolgenerierung sinnvoll ist, einen möglichst großen thermischen Gradienten zwischen den beteiligten Fluiden vorzusehen. Dies bedeutet, dass der Temperaturunterschied zwischen dem heißen Dampf-Freistrahl und der einströmenden kalten Luftströmung möglichst groß sein sollte. Insoweit haben die Erfinder beobachtet, dass insbesondere beim fortgesetzten Betrieb einer erfindungsgemäßen Anordnung, beispielsweise in einer elektronischen Zigarette, der Betrieb der elektrischen Verdampfereinheit zu einer Aufheizung der gesamten Anordnung führen kann, durch die auch die in die Mischkammer eintretende Luftströmung vor der Aerosolgenerierung erwärmt wird, wodurch der Temperaturgradient verringert wird. Vorteilhafterweise hat sich gezeigt, dass mit der erfindungsgemäßen Anordnung dieses Problem in synergistischer Weise behoben bzw. zumindest reduziert werden kann. Da die Verdampferkammer in der erfindungsgemäßen Anordnung zum Zwecke der Generierung des Dampf-Freistrahls ohnehin von der Mischkammer bzw. anderen Bestandteilen der Anordnung abgetrennt ist, ist es möglich, die Verdampferkammer, bzw. die Wände der Verdampferkammer, ganz oder teilweise aus einem thermisch isolierenden Material auszubilden, welches die übrigen Bestandteile der erfindungsgemäßen Anordnung von der von der elektrischen Heizeinheit erzeugten thermischen Energie zumindest teilweise abschirmt. Dies sorgt dafür, dass ein möglichst hoher und möglichst gleichbleibender Temperaturgradient zwischen dem austretenden Dampf-Freistrahl und der Luftströmung erhalten werden kann. Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei die Verdampferkammer Wände aufweist, die zumindest abschnittsweise aus einem thermisch isolierenden Material ausgebildet sind oder mit einem thermisch isolierenden Material beschichtet sind, wobei das thermisch isolierende Material vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 0,5 W/(m K) oder weniger, bevorzugt 0,1 W/(m K) oder weniger, aufweist.
Der Fachmann kann hierfür eine breite Palette an thermisch isolierenden Materialien wählen, wobei der Fachmann einen geeigneten Kompromiss zwischen einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit und einer guten Verarbeitbarkeit des Materials eingehen muss, der seinen Anforderungen genügt, wobei letzteres insbesondere von dem übrigen Aufbau der vom Fachmann ins Auge gefassten Anordnung abhängt. Neben einer Vielzahl von möglichen Kunststoffen haben sich als isolierendes Material insbesondere typische Dämmstoffe wie beispielsweise Mineralwollen oder Aerogele bewährt, die sich zumeist durch die für entsprechende Dämmstoffe häufig anzutreffende porige Struktur kennzeichnet.
Die Erfinder haben darüber hinaus erkannt, dass es unter bestimmten Gegebenheiten besonders vorteilhaft sein kann, die erste Düse bzw. alle ersten Düsen zumindest teilweise aus einem thermisch leitfähigen Material auszubilden bzw. mit einem thermisch leitfähigen Material zu beschichten. Dies steht nur auf den ersten Blick im Widerspruch zu den vorstehend offenbarten Vorteilen einer Ausgestaltung der Verdampferkammer aus isolierendem Material. Neben einer ungewollten Erwärmung des Luftstroms durch das elektrische Heizelement, die durch das thermisch isolierende Material ausgeschlossen werden soll, kann in der Verdampferkammer ein weiteres Problem bestehen.
Da in erfindungsgemäßen Anordnungen der Austritt des Dampfes aus der Verdampferkammer im Wesentlichen über die erste Düse bzw. die ersten Düsen erfolgt, stellen die Innenwände der Verdampferkammer Kondensationsflächen dar, an denen es zu einer ungewollten Kondensation des Dampfes kommen kann. Im Falle dieser ungewollten Kondensation schlägt sich ein Teil des Dampfes, der eigentlich als Dampf-Freistrahl in den Mischraum austreten sollte, um dort zur Aerosolbildung beizutragen, als kondensierte Flüssigkeit an den Wänden der Verdampferkammer nieder, von wo die Flüssigkeit im schlechtesten Fall sogar als große, nicht verdampfte Tropfen über das Mundstück zum Anwender gelangen können. Durch diesen Vorgang verringert sich die DampfKonzentration und es treten entsprechend Verluste auf, wodurch die Effizienz der Aerosolgenerierung und die Aerosolausbeute reduziert wird. Naturgemäß tritt dieser Effekt nicht nur an den Wänden, sondern auch an der ersten Düse auf, insbesondere da der Dampf an dieser Stelle durch ein vergleichsweise kleines Volumen geführt werden muss, welches in vielen Fällen auch noch von der Rückseite durch den eintretenden Luftstrom gekühlt wird, und durch die entsprechenden niedrigeren Temperaturen leicht zu einer Kondensationsfläche für den Dampf werden kann. Dies geht hin bis zu theoretischen Ausgestaltungen, in denen der in der ersten Düse kondensierende Teil des Dampfes im fortgesetzten Betrieb dazu führen könnte, den effektiven Querschnitt der ersten Düse zu reduzieren und somit das Aerosolgenerierungsverhalten der gesamten erfindungsgemäßen Anordnung zu verändern.
Zur Lösung dieses Problems ist es wie vorstehend angedeutet zielführend, die erste Düse und/oder die Innenseiten der Verdampferkammer aus einem thermisch leitfähigen Material auszubilden, wobei sich insbesondere typische Metalle wie Kupfer, Aluminium und Platin oder Halbmetalle wie Silicium als geeignet erwiesen haben. In ganz besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung können die entsprechend ausgebildeten Innenseiten der Verdampferkammer und/oder die erste Düse thermisch mit dem Heizelement und/oder mit einer separaten Heizvorrichtung gekoppelt werden, um bei Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung sicherzustellen, dass sich diese Bauteile auf einer so hohen Temperatur befinden, dass eine Kondensation des Dampfes an diesen Bauteilen verhindert oder zumindest verringert werden kann. Dabei hat sich in eigenen Versuchen insbesondere die erste Ausgestaltung als besonders vorteilhaft erwiesen, d.h. wenn die entsprechenden Bauteile mit dem ohnehin vorhandenen und bereits zum Erzeugen des Dampfes vorhandenen elektrischen Heizelement erfolgt, da in diesem Fall die grundlegende Funktion des elektrischen Heizelements in synergistischer Weise ausgenutzt werden kann, um diese teilweise auftretende Besonderheit der erfindungsgemäßen Anordnung zu kompensieren.
Im Lichte der vorstehenden Ausführungen sind erfindungsgemäße Anordnungen bevorzugt, wobei die Verdampferkammer Wände aufweist, die an der Innenseite der Verdampferkammer zumindest abschnittsweise aus einem thermisch leitfähigen Material ausgebildet sind oder mit einem thermisch leitfähigen Material beschichtet sind, wobei das thermisch leitfähige Material eine Wärmeleitfähigkeit von 20 W/(m K) oder mehr, bevorzugt 80 W/(m K) oder mehr, aufweist, und wobei das thermisch leitfähige Material an der Innenseite der Verdampferkammer thermisch mit dem elektrischen Heizelement gekoppelt und/oder mit einer separaten Heizvorrichtung verbunden ist, und/oder wobei die erste Düse aus einem thermisch leitfähigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 20 W/(m K) oder mehr, bevorzugt 80 W/(m K) oder mehr, ausgebildet ist und wobei die erste Düse vorzugsweise mit dem elektrischen Heizelement thermisch gekoppelt und/oder mit einer separaten Heizvorrichtung verbunden ist.
Erfindungsgemäße Anordnungen sind besonders bevorzugt, in denen die einzelnen Bestandteile so zueinander ausgerichtet sind, dass die Aerosolbildung im Inneren der Mischkammer, d.h. in möglichst weitem Abstand von den Innenwänden der Mischkammer erfolgt. Aus strömungsdynamischer Sicht hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn sich die Mischkammer in Richtung des Mundstücks verjüngt, sodass der Auslass für Aerosol im Mundstück wiederum als eine Art Düse funktioniert, die die kinetische Energie des erzeugten Aerosols in Richtung des Verwenders erhöht. Bevorzugt ist also eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei die Mischkammer entlang der Strömungsrichtung des Aerosols ein ungleichförmiges Querschnittprofil aufweist, wobei der Querschnitt der Mischkammer vorzugsweise in Richtung des Mundstückes abnimmt.
Auch wenn es grundsätzlich möglich ist, die erfindungsgemäße Anordnung mit allen möglichen Formen von elektrischen Heizelementen zu betreiben, beispielsweise mit Docht-Wendel-Anordnungen, hat es sich in den Versuchen der Erfinder deutlich gezeigt, dass die Verwendung eines plattenförmigen Heizerchips besonders vorteilhaft ist. Ein solcher plattenförmiger Heizerchip erlaubt eine besonders gute und kontrollierte Dampferzeugung und unterstützt somit das generelle Bestreben der erfindungsgemäßen Anordnung, die Dampf- und Aerosolerzeugung so kontrolliert wie möglich auszuführen. Darüber hinaus lässt sich ein entsprechender plattenförmiger Heizerchip besonders gut mit weiteren Bauteilen der Verdampferkammer thermisch koppeln und lässt sich darüber hinaus aufgrund seiner Form besonders leicht auch als Bestandteil der Verdampferkammer vorsehen. Hierbei wird der Heizerchip besonders bevorzugt am Boden der Verdampferkammer, d.h. auf einer der ersten Düse gegenüberliegenden Seite angeordnet. Ein entsprechender plattenförmiger Heizerchip lässt sich dabei aber auch so ausgestalten, dass dieser nicht nur einen Teil der Wand der Verdampferkammer bildet, sondern in seinem Inneren auch die erste Düse bzw. mehrere erste Düsen ausbildet, die in erfindungsgemäßen Anordnungen vorgesehen sind. Bevorzugt ist somit eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei das elektrische Heizelement eine Drahtspule oder ein plattenförmiger Heizerchip ist, bevorzugt ein plattenförmiger Heizerchip, besonders bevorzugt ein plattenförmiger Heizerchip aus einem dotierten oder undotierten Halbleitermaterial, welcher vorzugsweise von einer Vielzahl von Mikrokanälen durchzogen ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann mit einem Flüssigkeitsreservoir zur Aufnahme der zu verdampfenden Flüssigkeit kombiniert werden, wodurch eine sogenannte Kartusche erhalten wird, die für den Einsatz in Verdampfersystemen geeignet ist, beispielsweise in elektronischen Zigaretten. Entsprechende Kartuschen werden häufig als Einwegteile ausgeführt, die zusammen mit einem Mehrwegteil ein Verdampfersystem bilden.
Die Erfindung betrifft somit auch eine Kartusche für ein Verdampfersystem umfassend eine erfindungsgemäße Anordnung und ein Flüssigkeitsreservoir zur Aufnahme der zu verdampfenden Flüssigkeit.
Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Kartusche, wobei das Flüssigkeitsreservoir ein oder mehrere Materialien umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Glas, Kristall, Metall, Keramik, Holz und Kunststoff, wobei das Reservoir bevorzugt eine weitere Außenhülle aufweist und/oder wobei das Flüssigkeitsreservoir bevorzugt mit einem Element zum Druckausgleich ausgestattet ist.
Bevorzugt ist zudem eine erfindungsgemäße Kartusche, wobei das Flüssigkeitsreservoir durch einen Beutel gebildet wird, wobei der Beutel vollständig oder teilweise aus Silikon, Gummi, Latex oder einem anderen geeigneten elastischen oder nicht-elastischen Material, bevorzugt einem Kunststoff, gefertigt ist. Die Verwendung von Beuteln als Flüssigkeitsreservoir ist besonders vorteilhaft, da diese günstig zu fertigen sind und regelmäßig nur geringe Müllmengen anfallen. Zudem ist es vorteilhafterweise nicht notwendig, im Flüssigkeitsreservoir einen Druckausgleich vorzusehen, da sich der Beutel bei gleichbleibendem Innendruck nötigenfalls kontrahiert. Darüber hinaus sind Beutel für bestimmte Anwendungen aus sicherheitstechnischer Sicht vorteilhaft, weil sie nicht splittern und dadurch mit weniger Gefahrenpotential verbunden sind.
Bevorzugt sind erfindungsgemäße Kartuschen, umfassend im Flüssigkeitsreservoir eine Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit zumindest eine Wirkstoffkomponente, zumindest eine höher als die Wirkstoffkomponente siedende erste Trägersubstanz und zumindest eine niedriger als die Wirkstoffkomponente siedende zweite Trägersubstanz umfasst, wobei die Wirkstoffkomponente vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Nikotin, Tetrahydrocannabinol, Cannabidiol, Stoffe der entsprechenden Stoffklassen und medizinischen Wirkstoffen, und wobei die Flüssigkeit vorzugsweise zudem ein oder mehrere Lösungsmittel umfasst, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus 1,2-Propandiol, Glyzerin und Wasser.
Die vorstehend angegebene Flüssigkeit hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen, um eine Wirkstoffkomponente mittels einer erfindungsgemäßen Anordnung über ein entsprechendes Aerosol an einen Nutzer bereitzustellen. Im Rahmen der Erfindung wurde dabei erkannt, dass besonders kleine Tröpfchengrößen und eine besonders enge Tröpfchengrößenverteilung besonders dann erreicht werden können, wenn ein möglichst hoher Glycerin-Anteil verwendet wird. Entsprechend sind erfindungsgemäße Kartuschen bevorzugt, umfassend im Flüssigkeitsreservoir eine Flüssigkeit, wobei der Massenanteil an Glycerin bezogen auf die Gesamtmasse der Flüssigkeit im Bereich von 20-80 %, bevorzugt 30 bis 60 %, liegt.
Wie vorstehend erläutert, können in erfindungsgemäßen Anordnungen der Dampf-Freistrahl und die zur Aerosolgenerierung zugeführte Luftströmung gezielt angepasst werden, um die gewünschte Aerosolbeschaffenheit zu erhalten. In der Praxis kann dies dazu führen, dass das aus der Mischkammer austretende Fluidvolumen aus nicht-kondensiertem Dampf, Luft und Aerosol nicht ausreichend ist, um die durch das Saugen des Benutzers aufgebaute Druckdifferenz im Mund des Benutzers schnell auszugleichen, insbesondere wenn auch eine zweite Düse verwendet wird, die das Volumen des in die Mischkammer eintretenden Luftstroms limitiert. In diesem Fall kann die Dampf-Erfahrung des Benutzers trotz der ausgezeichneten Aerosolqualität nachteilig dadurch beeinflusst werden, dass der Eindruck entsteht, dass die erfindungsgemäße Anordnung dem Saugen des Benutzers zu viel Widerstand entgegensetzt. Für diesen Fall hat es sich als vorteilhaft erwiesen, in erfindungsgemäßen Kartuschen ein oder mehrere Luftkanäle vorzusehen, mit denen zusätzliche Luft an der Mischkammer vorbei zum Benutzer geführt werden kann, um den vorstehend beschriebenen Umstand auszugleichen. Somit ist eine erfindungsgemäße Kartusche bevorzugt, umfassend ein oder mehrere Luftkanäle, die dazu eingerichtet sind, Luft an der Mischkammer vorbei zum Mundstück zu führen. Dabei hat es sich als besonders zielführend erwiesen, wenn in den zusätzlichen Luftkanälen Ventile vorgesehen sind, die erst bei Überschreiten einer vorbestimmten Druckdifferenz öffnen, sodass zumindest zu Anfang eines Zuges die vom Nutzer erzeugte Druckdifferenz im Wesentlichen dazu führt, dass der Dampf-Freistrahl und der Luftstrom im Inneren der Mischkammer ausgebildet werden.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verdampfersystem zum Verdampfen einer Flüssigkeit, vorzugsweise für den Einsatz in einer tragbaren Verdampfungsvorrichtung, bevorzugt in einem Handgerät, besonders bevorzugt in einer E-Zigarette oder einem Inhalator für medizinische Zwecke, umfassend eine erfindungsgemäße Kartusche und ein Mehrwegelement umfassend zumindest eine elektrische Energiequelle für den Betrieb des elektrischen Heizelements, vorzugsweise eine Batterie oder eine Brennstoffzelle, besonders bevorzugt eine Lithiumionenbatterie, insbesondere einen Lithiumpolymerakkumulator, wobei die Kartusche und das Mehrwegelement reversibel und zerstörungsfrei lösbar miteinander verbunden oder verbindbar sind, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der elektrischen Energiequelle und dem elektrischen Heizelement gebildet wird. Der Einsatz für medizinische Zwecke umfasst dabei insbesondere die Applikation von Medikamenten gegen Atemwegserkrankungen sowie von Schmerzmitteln.
Die Erfindung betrifft abschließend auch ein Verfahren zur Aerosolgenerierung, vorzugsweise ausgeführt mit einer erfindungsgemäßen Anordnung, umfassend die Schritte:

a) Verdampfen einer Flüssigkeit in einer Verdampferkammer, mit einem in der Verdampferkammer angeordneten elektrischen Heizelement,
b) Ausleiten der verdampften Flüssigkeit aus der Verdampferkammer in eine Mischkammer durch zumindest eine in der Wand der Verdampferkammer angeordnete erste Düse zum Erzeugen eines Dampf-Freistrahls,
c) Erzeugen eines Aerosols in der Mischkammer durch Mischen des Dampf-Freistrahls mit einer über einen Lufteinlass in die Mischkammer eintretenden Luftströmung, und
d) Ausleiten des erzeugten Aerosols aus dem Mischkammer über den Auslass eines Mundstücks.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mit einer erfindungsgemäßen Anordnung bzw. einer bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnung durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass eine Flüssigkeit mittels eines elektrischen Heizelements in einer Verdampferkammer verdampft wird. Der erzeugte Dampf wird anschließend aus der Verdampferkammer in eine Mischkammer ausgeleitet, wobei das Ausleiten durch eine in der Wand der Verdampferkammer angeordnete erste Düse erfolgt, sodass ein Dampf-Freistrahl erhalten wird. Anschließend wird in der Mischkammer durch Mischen des Dampf-Freistrahls mit einer über einen Lufteinlass in die Mischkammer eintretende Luftströmung ein Aerosol erzeugt. Dieses derart erzeugte Aerosol wird abschließend aus der Mischkammer über den Auslass eines Mundstücks zum Anwender geführt.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Kartusche mit einer erfindungsgemäßen Anordnung im Querschnitt;
2 einen schematischen Ausschnitt aus einer bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnung im Querschnitt;
3 einen schematischen Ausschnitt aus einer bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnung;
4a einen schematischen Ausschnitt aus einer bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnung im Querschnitt;
4b einen schematischen Ausschnitt aus einer bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnung in der Draufsicht;
5 eine schematische Darstellung einer Flachdüse;
6a eine schematische Darstellung einer ersten relativen Anordnung von ersten und zweiten Düsen;
6b eine schematische Darstellung einer zweiten relativen Anordnung von ersten und zweiten Düsen;
6c eine schematische Darstellung einer dritten relativen Anordnung von ersten und zweiten Düsen;

1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Kartusche 42, die eine erfindungsgemäße Anordnung 10 umfasst. In der Verdampferkammer 12 ist ein elektrisches Heizelement 24 angeordnet, welches als plattenförmiger Heizerchip ausgebildet ist. Dieses elektrische Heizelement 24 steht mit einem Dochtmaterial 28 in Kontakt, mittels dem die zu verdampfende Flüssigkeit 26 aus dem Flüssigkeitsreservoir 44 dem elektrischen Heizelement 24 zugeführt wird. In dem in 1 gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem Dochtmaterial 28 um einen Vliesstoff. Das Flüssigkeitsreservoir 44 ist aus Glas ausgebildet, wobei die Flüssigkeit als Lösungsmittel eine Mischung bestehend aus 1,2-Propandyol, Glycerin und Wasser umfasst, in dem Nikotin als Wirkstoffkomponente gelöst ist. Die in 1 gezeigte Anordnung ist auf eine Verdampfungsrate an Liquid von 2 mg/s ausgelegt, was eine Heizleistung von etwa 3-4 W erfordert. Die Mischungsrate von Luft zu Dampf liegt im Bereich von 5:1 bis 10:1, so dass der Luftmassenstrom etwa 10 bis 16 mg/s und der Luftvolumenstrom etwa 8 bis 16 cm³/s beträgt.
In der Verdampferkammer 12 bzw. in der Wand 32 der Verdampferkammer 12 ist eine erste Düse 30a angeordnet, durch die eine fluidleitende Verbindung zwischen der Verdampferkammer 12 und der Mischkammer 20 gebildet wird. Die erste Düse 30a sorgt dafür, dass die verdampfte Flüssigkeit 26 als Dampf-Freistrahl 34 in die Mischkammer 20 eintritt, wobei die erste Düse 30a in der gezeigten Ausführungsform als sich in Richtung der Mischkammer verjüngende erste Düse 30a mit rundem Querschnitt ausgebildet ist. In der Mischkammer 20 wird der Dampf-Freistrahl 34 mit einer über den Lufteinlass 22a eintretenden Luftströmung 36 gemischt, sodass ein Aerosol 18 erzeugt wird, welches über das Mundstück 14 bzw. den entsprechenden Auslass 16 des Mundstücks 14 aus der Anordnung 10 austreten kann. In 1 ist das elektrische Heizelement 24 so in der Verdampferkammer 12 angeordnet, dass es der ersten Düse 30a gegenüberliegt, die nicht als separates Bauteil ausgeführt ist, sondern durch die Wand 32 der Verdampferkammer 12 gebildet wird.
In der in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform umfasst auch der Lufteinlass 22a eine zweite Düse 38a, die als sich verjüngende Düse mit rundem Querschnitt ausgeführt ist. Dabei sind der Lufteinlass 22a und die Verdampferkammer 12 bzw. der Lufteinlass 22a und die erste Düse 30a so zueinander angeordnet, dass sich der Dampf-Freistrahl 34 und der Luft-Freistrahl 40 in der Mischkammer 20 im Bereich der laminaren Strömung in einem Winkel treffen, der im Wesentlichen 90° beträgt.
Um eine ungewollte Erwärmung des eintretenden Luftstroms 36 durch das elektrische Heizelement 24 zu verhindern, sind die Wände 32 der Verdampferkammer 12 in der gezeigten Ausführungsform aus Kunststoff ausgebildet, der die Funktion einer thermischen Isolierung übernimmt. Die Mischkammer 20 weist entlang der Strömungsrichtung des Aerosols 18 ein ungleichförmiges Querschnittprofil auf, wobei sich die Mischkammer 20 insbesondere in Richtung des Mundstücks 14 verjüngt. Eine entsprechende Kartusche 42, wie sie in 1 schematisch gezeigt ist, kann mit einem Mehrwegteil, in welchem ein elektrischer Energiespeicher zum Betrieb des elektrischen Heizelements 24 angeordnet ist, reversibel und zerstörungsfrei lösbar zu einem erfindungsgemäßen Verdampfersystem kombiniert werden.
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnung 10 im Querschnitt, bei der die Generierung des Aerosols 18 insbesondere im Grenzbereich des Dampf-Freistrahls 34 zur eintretenden Luftströmung 36 erfolgt. Um eine möglichst gleichmäßige Generierung des Aerosols 18 zu erreichen, sind auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Düse 30a, die wiederum durch die Wände 32 der Verdampferkammer 12 gebildet wird, zwei separate Lufteinlässe 22a, 22b vorgesehen, sodass der resultierende Luftstrom 36 den Dampf-Freistrahl 34 an beiden Seiten möglichst gleichmäßig umgibt.
In der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist das elektrische Heizelement 24 erneut als plattenförmiger Heizerchip ausgeführt, wobei dieser von einer Vielzahl von Mikrokanälen 25 durchzogen ist, durch die die von dem Dochtmaterial 28 bereitgestellte und vom elektrischen Heizelement 24 verdampfte Flüssigkeit 26 durch das elektrische Heizelement 24 hindurchtreten kann.
3 visualisiert schematisch, dass die in 1 dargestellte erste Düse 30a und zweite Düse 38a relativ zueinander verschoben werden können, sodass der Dampf-Freistrahl 34 und der Luft-Freistrahl 40 einen Winkel einschließen, der kleiner ist als 90°.
Die 4a und 4b zeigen jeweils im Querschnitt bzw. in der Draufsicht eine alternative Ausgestaltung zu der in 2 dargestellten bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnung. In der Querschnittsdarstellung in 4a ist ersichtlich, dass der in der Verdampferkammer 12 erzeugte Dampf als Dampf-Freistrahl 34 in den Mischraum 20 eintritt und an allen Seiten von der Luftströmung 36 eingefasst ist, sodass das Aerosol 18 insbesondere an der Grenzschicht zwischen dem Dampf-Freistrahl 34 und der Luftströmung 36 gebildet wird, während es durch die Mischkammer 20 hindurch zu dem im Mundstück 14 angeordneten Auslass 16 für das Aerosol 18 geführt wird.
Der Unterschied zu der in 2 dargestellten Ausführungsform ist darin zu sehen, dass in diesem Fall lediglich ein Lufteinlass 22a vorgesehen ist, der jedoch um die erste Düse 30a herum so angeordnet ist, dass sich ein koaxialer Aufbau ergibt und die durch den Lufteinlass 22a eintretende Luftströmung 36 den Dampf-Freistrahl 34 an allen Seiten umgibt, wie es 4b visualisiert.
5 zeigt schematisch eine Flachdüse mit rechteckigem Querschnitt, die sich im Rahmen der Erfindung als besonders geeignete Düsenform erwiesen hat, insbesondere wenn sie wie in 5 dargestellt als sich in Richtung des Mischraums 20 verjüngende Düse ausgeführt wird. Die in 5 schematisch gezeigte Flachdüse hat sich sowohl für die erste Düse 30a als auch für die zweite Düse 38a als vorteilhafte Ausgestaltung erwiesen, da damit Freistrahlen mit einer besonders großen Oberfläche bzw. Mantelflächen erhalten werden.
In den 6a, 6b und 6c sind schematisch mögliche Ausgestaltungen von Düsen gezeigt, die in einer Anordnung vorgesehen werden können, wie sie in 1 gezeigt wird, d.h. einer erfindungsgemäßen Anordnung 10, in der sowohl ein Dampf-Freistrahl 34 als auch ein Luft-Freistrahl 40 eingesetzt werden, die sich in der Mischkammer 20 schneiden. 6a zeigt dabei eine einzelne erste Düse 30a und eine einzelne zweite Düse 38a, die sich jeweils in Richtung der Mischkammer verjüngen und einen runden Querschnitt aufweisen, wie es auch in 1 offenbart ist.
Im Gegensatz hierzu sind sowohl der Lufteinlass 22a als auch der Austritt 16 aus der Verdampferkammer 12 in 6b so ausgebildet, dass jeweils vier Düsen eingesetzt werden. Somit gibt es vier erste Düsen 30a, 30b, 30c, 30d und insgesamt vier zweite Düsen 38a, 38b, 38c, 38d. Im dem in 6b gezeigten Beispiel sind die einzelnen Düsen jeweils als Düsen mit konstantem und rundem Querschnitt ausgebildet.
Die 6c zeigt im Gegensatz hierzu eine Ausgestaltung, in der sowohl die erste Düse 30a als auch die zweite Düse 38a als Flachdüse mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sind, wobei in der 6c gezeigten Ausgestaltung nicht die in 5 gezeigte Flachdüse, sondern jeweils Düsen mit einem über die gesamte Länge konstanten Querschnittsprofil eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

10: Anordnung
12: Verdampferkammer
14: Mundstück
16: Auslass
18: Aerosol
20: Mischkammer
22a, 22b: Lufteinlass
24: elektrisches Heizelement
25: Mikrokanäle
26: Flüssigkeit
28: Dochtmaterial
30a, 30b, 30c, 30d: erste Düse
32: Wand
34: Dampf-Freistrahl
36: Luftströmung
38a, 38b, 38c, 38d: zweite Düse
40: Luft-Freistrahl
42: Kartusche
44: Flüssigkeitsreservoir

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20140096782 A1 [0006]

Claims

Anordnung (10) zur Aerosolgenerierung, umfassend eine Verdampferkammer (12), ein Mundstück (14) mit einem Auslass (16) für ein Aerosol (18) und eine Mischkammer (20) mit einem Lufteinlass (22a, 22b), wobei in der Verdampferkammer (12) ein elektrisches Heizelement (24) zum Verdampfen einer Flüssigkeit (26) angeordnet ist, welches mit einem Dochtmaterial (28) in Kontakt steht, welches dazu eingerichtet ist, dem elektrischen Heizelement (24) die zu verdampfende Flüssigkeit (26) zuzuführen, wobei die Verdampferkammer (12) wenigstens eine erste Düse (30a, 30b, 30c, 30d) umfasst, die so in der Wand (32) der Verdampferkammer (12) angeordnet ist, dass durch diese eine fluidleitende Verbindung zwischen der Verdampferkammer (12) und der Mischkammer (20) gebildet wird, so dass die in der Verdampferkammer (12) verdampfte Flüssigkeit (26) als Dampf-Freistrahl (34) in die Mischkammer (20) eintreten kann, wobei die Anordnung (10) so ausgelegt ist, dass der Dampf-Freistrahl (34) in der Mischkammer (20) zur Erzeugung des Aerosols (18) mit einer über den Lufteinlass (22a, 22b) eintretenden Luftströmung (36) gemischt werden und das erzeugte Aerosol (18) über den Auslass (16) des Mundstücks (14) aus der Anordnung (10) austreten kann.
Anordnung (10) nach Anspruch 1, wobei der Lufteinlass (22a, 22b) zumindest eine zweite Düse (38a, 38b, 38c, 38d) umfasst, so dass die eintretende Luftströmung (36) als Luft-Freistrahl (40) in die Mischkammer (20) eintreten kann, wobei die zumindest eine zweite Düse (38a, 38b, 38c, 38d) vorzugsweise eine sich zum Inneren der Mischkammer hin verjüngende Düse ist und/oder wobei die zumindest eine zweite Düse (38a, 38b, 38c, 38d) vorzugsweise eine Flachdüse, bevorzugt eine Flachdüse mit rechteckigem Querschnitt, ist, wobei die kombinierte Querschnittsfläche sämtlicher zweiter Düsen (38a, 38b, 38c, 38d) vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 2 mm², bevorzugt 0,8 bis 1,4 mm², liegt.
Anordnung (10) nach Anspruch 2, wobei der Lufteinlass (22a, 22b) und die Verdampferkammer (12) so angeordnet sind, dass sich der Dampf-Freistrahl (34) und der Luft-Freistrahl (40) in der Mischkammer (20) kreuzen, vorzugsweise im Bereich der laminaren Strömung, sodass die Mittelstrahlen des Dampf-Freistrahls (34) und des Luft-Freistrahls (40) einen Winkel im Bereich von 5° bis 175°, bevorzugt 30° bis 150°, besonders bevorzugt 50° bis 130°, ganz besonders bevorzugt 70° bis 110°, einschließen, wobei der Winkel vorzugsweise im Wesentlichen 90° beträgt.
Anordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Lufteinlass (22a, 22b) und die Verdampferkammer (12) so angeordnet sind, dass der Dampf-Freistrahl (34) und die eintretende Luftströmung (36) in der Mischkammer (20) zumindest abschnittsweise im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Anordnung (10) nach Anspruch 4, wobei der Lufteinlass (22a, 22b) und die zumindest eine erste Düse (30a, 30b, 30c, 30d) der Verdampferkammer (12) so angeordnet sind, dass der Dampf-Freistrahl (34) und die eintretende Luftströmung (36) in der Mischkammer (20) zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen, oder wobei in der Mischkammer (20) ein oder mehrere Luftführungselemente so angeordnet sind, dass der Dampf-Freistrahl (34) und die eintretende Luftströmung (36) in der Mischkammer (20) zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufen.
Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Mischkammer (20) zumindest zwei Lufteinlässe (22a, 22b) oder einen die zumindest eine erste Düse umgebenden einzelnen Lufteinlass (22a, 22b) aufweist, die oder der so angeordnet sind oder ist, dass die eintretende Luftströmung (36) in der Mischkammer (20) zumindest abschnittsweise auf zwei Seiten des Dampf-Freistrahls (34) parallel zum Dampf-Freistrahl (34) verläuft.
Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zumindest eine erste Düse (30a, 30b, 30c, 30d) eine sich zur Mischkammer (20) hin verjüngende Düse ist, und/oder wobei die kombinierte Querschnittsfläche sämtlicher ersten Düsen (30a, 30b, 30c, 30d) im Bereich von 0,01 bis 1 mm², bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 0,8 mm², besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm², ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,15 bis 0,4 mm², liegt, und/oder wobei die zumindest eine erste Düse (30a, 30b, 30c, 30d) eine Flachdüse, bevorzugt eine Flachdüse mit rechteckigem Querschnitt, ist, vorzugsweise mit einer Spaltweite von 0,3 mm oder weniger, bevorzugt 0,2 mm oder weniger, besonders bevorzugt 0,05 mm oder weniger.
Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verdampferkammer (12) Wände (32) aufweist, die zumindest abschnittsweise aus einem thermisch isolierenden Material ausgebildet sind oder mit einem thermisch isolierenden Material beschichtet sind, wobei das thermisch isolierende Material vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 0,5 W/(m K) oder weniger, bevorzugt 0,1 W/(m K) oder weniger, aufweist.
Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Verdampferkammer (12) Wände (32) aufweist, die an der Innenseite der Verdampferkammer (12) zumindest abschnittsweise aus einem thermisch leitfähigen Material ausgebildet sind oder mit einem thermisch leitfähigen Material beschichtet sind, wobei das thermisch leitfähige Material eine Wärmeleitfähigkeit von 20 W/(m K) oder mehr, bevorzugt 80 W/(m K) oder mehr, aufweist, und wobei das thermisch leitfähige Material an der Innenseite der Verdampferkammer (12) thermisch mit dem elektrischen Heizelement (24) gekoppelt und/oder mit einer separaten Heizvorrichtung verbunden ist, und/oder wobei die zumindest eine erste Düse (30a, 30b, 30c, 30d) aus einem thermisch leitfähigen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 20 W/(m K) oder mehr, bevorzugt 80 W/(m K) oder mehr, ausgebildet ist und wobei die zumindest eine erste Düse (30a, 30b, 30c, 30d) vorzugsweise thermisch mit dem elektrischen Heizelement (24) gekoppelt und/oder mit einer separaten Heizvorrichtung verbunden ist.
Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das elektrische Heizelement (24) eine Drahtspule oder ein plattenförmiger Heizerchip ist, bevorzugt ein plattenförmiger Heizerchip, besonders bevorzugt ein plattenförmiger Heizerchip aus einem dotierten oder undotierten Halbleitermaterial, welcher vorzugsweise von einer Vielzahl von Mikrokanälen (25) durchzogen ist.
Kartusche (42) für ein Verdampfersystem umfassend eine Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und ein Flüssigkeitsreservoir (44) zur Aufnahme der zu verdampfenden Flüssigkeit (26).
Kartusche (42) nach Anspruch 11, umfassend ein oder mehrere Luftkanäle, die dazu eingerichtet sind, Luft an der Mischkammer (20) vorbei zum Mundstück (14) zu führen.
Verdampfersystem zum Verdampfen einer Flüssigkeit (26), vorzugsweise für den Einsatz in einer tragbaren Verdampfungsvorrichtung, bevorzugt in einem Handgerät, besonders bevorzugt in einer E-Zigarette oder einem Inhalator für medizinische Zwecke, umfassend eine Kartusche (42) nach einem der Ansprüche 11 oder 12 und ein Mehrwegelement umfassend zumindest eine elektrische Energiequelle für den Betrieb des elektrischen Heizelements (24), wobei die Kartusche (42) und das Mehrwegelement reversibel und zerstörungsfrei lösbar miteinander verbunden oder verbindbar sind, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der elektrischen Energiequelle und dem elektrischen Heizelement (24) gebildet wird.
Verfahren zur Aerosolgenerierung, vorzugsweise ausgeführt mit einer Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die Schritte: a) Verdampfen einer Flüssigkeit (26) in einer Verdampferkammer (12), mit einem in der Verdampferkammer (12) angeordneten elektrischen Heizelement (24), b) Ausleiten der verdampften Flüssigkeit (26) aus der Verdampferkammer (12) in eine Mischkammer (20) durch zumindest eine in der Wand (32) der Verdampferkammer (12) angeordnete erste Düse (30a, 30b, 30c, 30d) zum Erzeugen eines Dampf-Freistrahls (34), c) Erzeugen eines Aerosols (18) in der Mischkammer (20) durch Mischen des Dampf-Freistrahls (34) mit einer über einen Lufteinlass (22a, 22b) in die Mischkammer (20) eintretenden Luftströmung (36), und d) Ausleiten des erzeugten Aerosols (18) aus dem Mischkammer (20) über den Auslass (16) eines Mundstücks (14).