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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfungsvorrichtung für einen Inhalator, umfassend einen elektrischen Widerstands-Heizkörper zum Verdampfen von mit dem Widerstands-Heizkörper in Kontakt gebrachter Flüssigkeit mittels elektrischer Energie.
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Die Regelung der elektrischen Heizleistung oder der Heiztemperatur eines Verdampfers in Form eines Widerstands-Heizkörpers ist wünschenswert, um eine gleichbleibende oder einstellbare Dampfmenge zu erreichen und die erhöhte Entstehung von Schadstoffen bei erhöhten Temperaturen zu verhindern. Verschiedene Methoden zur Heizkörper-Regelung sind bekannt, siehe beispielsweise
DE 10 2019 113 645 B4 . Im Wesentlichen lassen diese sich in Verfahren zur Temperaturregelung und zur Leistungsregelung unterteilen. Beide Verfahren unterliegen spezifischen Herausforderungen bei stark variierender Anfangstemperatur des Heizkörpers bzw. des Liquids.
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Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren für einen Inhalator bereitzustellen, die trotz toleranzbehaftetem Widerstand des Heizkörpers eine Bestimmung der Heizkörpertemperatur mit einer Toleranz ermöglicht, die deutlich geringer als die Toleranz der Anfangstemperaturen ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Erfindungsgemäß besteht der Widerstands-Heizkörper aus einem Material, bei dem in einem Temperaturbereich um eine Verdampfungstemperatur die Widerstandsänderung pro Temperaturintervall mindestens dreimal so groß ist wie in einem Temperaturbereich um Raumtemperatur. Ein Temperaturbereich um eine Verdampfungstemperatur ist ein Temperaturbereich, der mindestens eine mittlere Verdampfungstemperatur (beispielsweise 250 °C) umfasst und dessen Untergrenze oberhalb von 100 °C liegt. Ein Temperaturbereich um Raumtemperatur ist ein Temperaturbereich, der Raumtemperatur (25 °C) umfasst und dessen Obergrenze unterhalb von 100 °C liegt.
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Zur Verdeutlichung der zugrundeliegenden Problematik werden zunächst drei Fälle betrachtet: ein Normalfall mit einer Heizkörper- und Liquidtemperatur von beispielsweise T0 = 25 °C (Raumtemperatur), ein Niedertemperaturfall mit beispielsweise T0 = -20°C (beispielsweise Außentemperatur im extremen Winter) und ein Hochtemperaturfall mit beispielsweise T0= 50 °C (beispielsweise Inhalator lag in der Sonne). Ein Temperatursensor zur Messung der Heizkörpertemperatur ist vorteilhaft nicht vorgesehen, da der Sensor und die elektrischen Kontakte zur Auswertung des Sensors die Verdampfungsvorrichtung wesentlich verteuern würden. Zur Temperaturmessung steht somit lediglich der elektrische Widerstand des Heizkörpers selbst zur Verfügung. Dabei wird die Temperaturerhöhung aus der relativen Widerstandserhöhung gegenüber dem Anfangswiderstand oder aus dem absoluten Widerstand des Heizkörpers berechnet.
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Bei Heizkörpern aus p-dotiertem Silizium beträgt die relative Widerstandsänderung pro Temperatur ca. 0,2%/K, der Grundwiderstand eines Heizkörpers beträgt ca. 1 Ω. Bei einer Toleranz des Grundwiderstands von 18 mΩ und der parasitärer Zuleitungswiderstände von 18 mΩ entspräche der maximale Messfehler bei Verwendung des absoluten Widerstandswert 57 K und wäre somit nicht akzeptabel. Bei Verwendung der auf den Anfangswiderstand bezogenen relativen Widerstandsänderung ergäbe sich ein Toleranzfenster von nur 7,7 K. Demnach wird vorteilhaft ein relatives Verfahren zur Temperaturmessung verwendet. Der Temperaturwert wird somit vorteilhaft aus dem aktuellen Widerstand Rakt und dem Widerstand R0 zu Beginn des Heizvorgangs berechnet. Dies führt jedoch zu einem Problem, wenn die Anfangstemperatur T0 nicht bekannt ist, da sich diese Ungewissheit (70 K im genannten Beispiel) auch auf das Messergebnis auswirkt.
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Im Fall einer Leistungsregelung oder Leistungssteuerung, ggf. mit Abschaltung bei zu hohen Temperaturen zur Vermeidung von übermäßiger Schadstoffentstehung, tritt im Prinzip dasselbe Problem auf. Die Abschaltung bei zu hohen Temperaturen kann nur dann erfolgen, wenn die Temperatur genügend genau bestimmt werden kann. Zudem hängt auch die generierte Dampfmenge von der Umgebungstemperatur ab. Bei niedrigen Temperaturen (beispielsweise -20°C) muss mehr Energie aufgewendet werden, um das Liquid bis zum Verdampfungspunkt aufzuwärmen, zudem sind die Wärmeverluste an die Umgebung höher. Insgesamt stellt sich bei gleicher Heizleistung somit eine deutlich geringere Dampfmenge als bei hohen Anfangstemperaturen (beispielsweise 50°C) ein.
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Erfindungsgemäß wird nun ein Heizelement verwendet, dass im Toleranzbereich der Anfangstemperatur (hier beispielsweise -20°C bis + 50°C) eine vergleichsweise geringe Widerstandsänderung zeigt und im Bereich der Verdampfungstemperatur (hier beispielsweise 200°C bis 300°C) eine vergleichsweise hohe Widerstandsänderung mit der Temperatur aufweist. Genauer ist in einem Temperaturbereich um eine Verdampfungstemperatur die Widerstandsänderung pro Temperaturintervall mindestens dreimal so groß, vorzugsweise mindestens fünfmal so groß, weiter vorzugsweise mindestens siebenmal so groß wie in einem Temperaturbereich um Raumtemperatur. Auf diese Weise ist der Anfangswiderstand R0 des Heizkörpers im wesentlichen temperaturunabhängig, oder zumindest erheblich weniger temperaturabhängig, sodass die Toleranz der Anfangstemperatur nur einen geringen oder sehr geringen Einfluss auf die gemessene Temperatur im Bereich der Verdampfungstemperatur hat.
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Eine entsprechende Widerstands-Kennlinie kann erzielt werden, indem für den Heizkörper ein Material mit geeigneter Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands verwendet wird. Ein solches Material ist Bor-dotiertes Silizium, beispielsweise bei einer Dotierstoffkonzentration im Bereich von 4·1018/cm3. In diesem Bereich Bor-dotiertes Silizium zeigt im Bereich von beispielsweise -20°C bis +50°C einen nahezu konstanten spezifischen Widerstand und im Messbereich (hier beispielsweise größer 200°C) eine erheblich stärkere und vorteilhaft sogar weitgehend lineare Temperaturabhängigkeit. Eine lineare Temperaturabhängigkeit des Materials im Bereich der Verdampfungs- bzw. Betriebstemperatur vereinfacht die Temperaturbestimmung und ist daher bevorzugt. Generell ist eine monotone Temperaturabhängigkeit ausreichend, damit jedem Widerstandswert eine Temperatur eindeutig zugeordnet werden kann; eine streng lineare Temperaturabhängigkeit ist also nicht zwingend erforderlich.
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Es ist denkbar, eine geeigneter Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands mit anderen dotierten Halbleitern, beispielsweise Thallium-Dotierung oder Arsen-Dotierung eines Halbleiters wie beispielsweise Silizium, zu erreichen.
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Vorzugsweise beträgt die Dotierung mindestens 1016/cm3, vorzugsweise mindestens 1017/cm3, weiter vorzugsweise mindestens 1018/cm3. Eine ausreichende und geeignete Dotierungsstärke ist für das Erzielen der gewünschten Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands des Heizkörpers von Bedeutung. Die Dotierung hängt generell vom Halbleitermaterial und vom Dotierungsmaterial (Fremdatome) ab.
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Vorzugsweise beträgt in einem Temperaturbereich um eine Verdampfungstemperatur die relative Widerstandsänderung des Heizkörpermaterials pro Temperaturintervall mindestens 10% pro 100 K. Vorzugsweise beträgt in einem Temperaturbereich um Raumtemperatur die relative Widerstandsänderung des Heizkörpermaterials pro Temperaturintervall höchstens 3,5% pro 100 K.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Ansicht eines elektronischen Inhalators;
- 2 eine perspektivische Ansicht einer Verdampfungsvorrichtung für einen Inhalator;
- 3 eine Temperaturkennlinie eines Heizkörpers aus einem erfindungsgemäßen Material;
- 4 theoretische Temperaturabhängigkeiten des spezifischen Widerstands von zwei Materialien im Vergleich;
- 5 eine Messkurve des Widerstands eines Heizkörpers aus Bor-dotiertem Silizium zusammen mit theoretisch berechneten Werten; und
- 6 eine Tabelle mit Spalten Anfangstemperatur, Temperatur bei Erreichen des 1,28-fachen Anfangswiderstands und Widerstand bei Anfangstemperatur.
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Der elektronische Inhalator 10, hier ein elektronisches Zigarettenprodukt, umfasst ein Gehäuse 11, in dem ein Luftkanal 30 zwischen mindestens einer Lufteinlassöffnung 31, und einer Luftauslassöffnung 24 an einem Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 vorgesehen ist. Das Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 bezeichnet dabei das Ende, an dem der Konsument zwecks Inhalation zieht und dadurch das Zigarettenprodukt 10 mit einem Unterdruck beaufschlagt und eine Luftströmung 34 in dem Luftkanal 30 erzeugt.
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Der Inhalator 10 umfasst eine Verdampfungsvorrichtung 20 und einen Flüssigkeitsspeicher 18, die beispielsweise Teil einer auswechselbaren Verdampferkartusche 17 sein können. Die durch die Einlassöffnung 31 angesaugte Luft wird in dem Luftkanal 30 als Luftstrom 34 zu der, durch die, oder an der Verdampfungsvorrichtung 20 entlang geleitet. Die Verdampfungsvorrichtung 20 ist mit dem Flüssigkeitsspeicher 18, in dem mindestens eine Flüssigkeit 33 gespeichert ist, verbunden oder verbindbar. Die Verdampfungsvorrichtung 20 verdampft Flüssigkeit 33, die ihr aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 zugeführt wird, und gibt die verdampfte Flüssigkeit als Aerosol/ Dampf an einer Auslassseite 26 der Verdampfungsvorrichtung 20 in den Luftstrom 34 zu. Die in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicherte, zu dosierende Flüssigkeit 33 ist beispielsweise eine Mischung umfassend einen oder mehrere der folgenden Bestandteile in beliebiger Kombination: 1,2-Propylenglykol, Glycerin, Wasser, mindestens ein Aroma (Flavour). Die Flüssigkeit kann mindestens einen Wirkstoff, beispielsweise Nikotin, enthalten.
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Die elektronische Zigarette 10 umfasst des Weiteren einen elektrischen Energiespeicher 14 und eine elektronische Steuerungsvorrichtung 15, die beispielsweise in einem Basisteil 16 des Inhalators 10 angeordnet sein können. Der Energiespeicher 14 kann insbesondere eine elektrochemische Einweg-Batterie oder ein wiederaufladbarer elektrochemischer Akku, beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku, sein. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist der Energiespeicher 14 in einem dem Mundende 32 abgewandten Teil des Inhalators 10 angeordnet. Die Verdampferkartusche 17 ist vorteilhaft zwischen dem Energiespeicher 14 und dem Mundende 32 angeordnet. Die elektronische Steuerungsvorrichtung 15 ist vorteilhaft digital und umfasst vorzugsweise einen Mikroprozessor und/oder Microcontroller.
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In dem Gehäuse 11 ist vorteilhaft ein Sensor 13, beispielsweise ein Drucksensor oder ein Druck- oder Strömungsschalter, angeordnet, wobei die Steuerungsvorrichtung 15 auf der Grundlage eines von dem Sensor 13 ausgegebenen Sensorsignals feststellen kann, dass ein Konsument am Mundende 32 des Inhalators 10 zieht, um zu inhalieren. In diesem Fall steuert die Steuerungsvorrichtung 15 die Verdampfungsvorrichtung 20 an, um Flüssigkeit 33 aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 als Aerosol/Dampf in den Luftstrom 34 zuzugeben.
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Die Verdampfungsvorrichtung 20 umfasst mindesten einen Verdampfer in Form eines Widerstands-Heizkörpers 23 (siehe 2) und vorteilhaft ein Kapillarelement 12 zum Zuführen von Flüssigkeit 33 aus dem Flüssigkeitsreservoir 18 zu dem Heizkörper 23. Im Betriebszustand des Inhalators 10 ist der Heizkörper 23 mit einer von der elektronischen Steuerungsvorrichtung 15 steuerbaren Heizspannungsquelle 22 über elektrische Leitungen 25 elektrisch verbunden. Die Heizspannungsquelle 22 ist vorzugsweise über Elektroden 29 an gegenüberliegenden Seiten des Heizkörpers 23 mit diesem verbunden, so dass eine von der Heizspannungsquelle 22 erzeugte elektrische Heizspannung Uh zu einem Stromfluss durch den Heizkörper 23 führt. Die Heizspannungsquelle 22 bezieht elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher 14. Aufgrund des Ohmschen Widerstands des elektrisch leitenden Heizkörpers 23 führt der Stromfluss zu einer Erhitzung des Heizkörpers 23 und daher zu einer Verdampfung von in den Mikrokanälen 27 enthaltener Flüssigkeit. Der Heizkörper 23 wirkt somit als Verdampfer. Auf diese Weise erzeugter Dampf/Aerosol entweicht zur Auslassseite 26 aus den Mikrokanälen 27 und wird der Luftströmung 34 beigemischt, siehe 1. Genauer steuert bei Feststellung eines durch Ziehen des Konsumenten verursachten Luftstroms 34 durch den Luftkanal 30 die Steuerungsvorrichtung 15 die Heizspannungsquelle 22 an, wobei durch spontane Erhitzung die in den Mikrokanälen 27 befindliche Flüssigkeit in Form von Dampf/Aerosol aus den Mikrokanälen 27 getrieben wird.
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Der Inhalator 10 umfasst vorteilhaft einen digitalen Datenspeicher 35 zum Speichern von die Verdampferkartusche 17 betreffender Information bzw. Parameter. Der Datenspeicher 35 kann Teil der elektronischen Steuerungsvorrichtung 15 oder mit dieser verbunden sein. In dem Datenspeicher 35 ist vorteilhaft Information zur Zusammensetzung der in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicherten Flüssigkeit, Information zum Prozessprofil, insbesondere Leistungs-/Temperatursteuerung; Daten zur Zustandsüberwachung bzw. Systemprüfung, beispielsweise Dichtigkeitsprüfung; Daten betreffend Kopierschutz und Fälschungssicherheit, eine ID zur eindeutigen Kennzeichnung der Verdampferkartusche 17, Seriennummer, Herstelldatum und/oder Ablaufdatum, und/oder Zugzahl (Anzahl der Inhalationszüge durch den Konsumenten) bzw. der Nutzungszeit gespeichert.
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Der Heizkörper 23 ist mit einer Mehrzahl von Mikrokanälen 27 versehen, die eine Einlassseite 28 des Heizkörpers 23 mit einer Auslassseite 26 flüssigkeitsleitend verbinden. Die Einlassseite 28 ist über ein Kapillarelement 12 flüssigkeitsleitend mit dem Flüssigkeitsspeicher 18 verbunden. Das Kapillarelement 12 dient zur passiven Förderung von zu verdampfender Flüssigkeit 33 aus einem Flüssigkeitsspeicher 18 zu dem Heizkörper 23 mittels Kapillarkräften. Das Kapillarelement 12 besteht vorteilhaft aus einem nichtleitenden Material, um eine unerwünschte Erwärmung von Flüssigkeit in dem Kapillarelement 12 durch Stromfluss zu vermeiden.
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Der mittlere Durchmesser der Mikrokanäle 27 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 5 µm und 200 µm, weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 30 µm und 118 µm, noch weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 18 µm und 100 µm. Aufgrund dieser Abmessungen wird vorteilhaft eine Kapillarwirkung erzeugt, so dass an der Einlassseite 28 in einen Mikrokanal 27 eindringende Flüssigkeit durch den Mikrokanal 27 nach oben steigt, bis der Mikrokanal 27 mit Flüssigkeit gefüllt ist. Das Volumenverhältnis von Mikrokanälen 27 zu Heizkörper 23, das als Porösität des Heizkörpers 23 bezeichnet werden kann, liegt beispielsweise im Bereich zwischen 10% und 18%, vorteilhaft im Bereich zwischen 15% und 40%, noch weiter vorteilhaft im Bereich zwischen 20% und 30%, und beträgt beispielsweise 25%. Die Dicke des Heizkörpers 23 und somit die Länger der Mikrokanäle 27 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm, weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,75 mm, noch weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 mm und 0,5 mm und beträgt beispielsweise 0,3 mm.
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Der Heizkörper 23 ist vorzugsweise blockförmig, beispielsweise quaderförmig, und vorzugsweise monolithisch, d.h. der Heizkörper 23 weist abgesehen von den Mikrokanälen 27 vorteilhaft keine makroskopischen Hohlräume auf. Der Heizkörper 23 kann daher als Block-, Bulk- oder Volumen-Heizkörper bezeichnet werden.
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Die Verdampfungstemperatur liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 100 °C und 400 °C, weiter bevorzugt zwischen 150 °C und 318 °C, noch weiter bevorzugt zwischen 190 °C und 240 °C.
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Die Verdampfungsvorrichtung 20 weist eine elektronische Messschaltung 19 zur Bestimmung der Temperatur des Heizkörpers 23 durch Messung des elektrischen Widerstands des Heizkörpers 23 auf. Schaltungen zur Messung des elektrischen Widerstands eines stromdurchflossenen Heizkörpers sind per se bekannt.
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Für den Heizkörper 23 wird ein Material verwendet, dass im Toleranzbereich der Anfangstemperatur, hier beispielsweise -20 °C bis +50 °C, eine vergleichsweise geringe Widerstandsänderung mit der Temperatur zeigt und im Bereich der Verdampfungstemperatur, hier beispielsweise 200 °C bis 300 °C, eine vergleichsweise hohe Widerstandsänderung mit der Temperatur aufweist.
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3 zeigt beispielhaft eine solche Temperaturkennlinie eines erfindungsgemäßen Heizkörpers 23. Dort ist die Temperatur in °C über dem Gesamtwiderstand des Heizkörpers 23 in Ohm aufgetragen. Die gestrichelte Kurve 40 zeigt beispielhaft eine Fit-Kurve als Berechnungsgrundlage. Die durchgezogen Linie 41 bei niedrigen Temperaturen gibt eine Messung in einer Klimakammer wieder. Die durchgezogene Linie 42 bei höheren Temperaturen gibt eine Messung mit einer Infrarot-Kamera bei Widerstandsheizung des Heizkörpers 23 wieder. Im Bereich der Anfangstemperatur zwischen -20 °C und +50 °C ändert sich der Widerstand des Heizkörpers 23 lediglich um etwa 20 mΩ (1,01±0,01 Ω). Im Bereich der Verdampfungstemperatur, hier zwischen 150 °C und 250 °C, ändert sich der Widerstand des Heizkörpers 23 signifikant um etwa 210 mΩ (1,14-1,35 Ω). Die Widerstandsänderung pro Temperaturintervall in einem Temperaturbereich um eine Verdampfungstemperatur bezogen auf die Widerstandsänderung pro Temperaturintervall in einem Temperaturbereich um Raumtemperatur beträgt in diesem Beispiel also (210 mΩ/100 °C)/(20 mΩ/70 °C) = 7,35. Auf diese Weise ist der Anfangswiderstand R0 des Heizkörpers 23 im Wesentlichen temperaturunabhängig, oder zumindest erheblich weniger temperaturabhängig, sodass die Toleranz der Anfangstemperatur nur einen geringen oder sehr geringen Einfluss auf die gemessene Temperatur im Bereich der Verdampfungstemperatur hat.
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Eine entsprechende Widerstands-Kennlinie kann erzielt werden, indem für den Heizkörper 23 ein Material mit geeigneter Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstands verwendet wird. Der Heizkörper 23 besteht vorteilhaft aus einem elektrisch leitenden, dotierten Halbleitermaterial, vorzugsweise dotiertem Silizium. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Material des Heizkörpers Bor-dotiertes Silizium. Die Bor-Dotierungsstärke liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1018/cm3 und 1019/cm3 und beträgt beispielsweise 4·1018/cm3.
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4 sind die theoretischen Temperaturabhängigkeiten des spezifischen Widerstands von Bor-dotiertem Silizium 43 im Vergleich zu Phosphor-dotiertem Silizium 44 gezeigt. Aufgetragen ist hier der spezifische Widerstand p in Ω·cm über der Temperatur des Heizkörpers 23 in °C. Das Bor-dotierte Silizium (Punkte 43) zeigt im Bereich von -20 °C bis +50 °C einen beinahe konstanten spezifischen Widerstand und im Messbereich (hier größer 200°C) eine weitgehend lineare Temperaturabhängigkeit. Phosphor-dotiertes Silizium (Punkte 44) ist hingegen nicht geeignet, da der spezifische Widerstand im Bereich von -20 °C bis +50 °C stark veränderlich ist.
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5 zeigt eine Messkurve des Widerstands eines Heizkörpers 23 aus Bor-dotiertem Silizium (durchgezogene Line) zusammen mit dem aus dem theoretischen Verlauf (Punkte) des spezifischen Widerstands berechneten Wert. Beide Kurven liegen nahe beieinander und haben einen sehr ähnlichen Verlauf.
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Die Tabelle in 6 zeigt für neun Werte der Anfangstemperatur T0 im Bereich -20 °C bis +50 °C die Temperatur Tmax bei Erreichen des 1,28-fachen Anfangswiderstands und den Anfangswiderstand R0 in Ohm. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass für die in 3 dargestellte Kurve eine Toleranz der Temperaturbestimmung von lediglich ca. 9 K bei der Toleranz der Anfangstemperatur von 70 K auftritt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017123868 B4 [0002]
- DE 102017123869 B4 [0002]
- DE 102017123870 B4 [0002]
- DE 102019113645 B4 [0003]
