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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Transferieren von einem Wirkstoff in eine Gasphase, welcher Wirkstoff mindestens einen organischen Bestandteil enthält.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von in der Hand tragbaren dampferzeugenden Vorrichtungen für den Konsum bekannt. Allen diesen Vorrichtungen gemein ist, dass diese zur Aufnahme eines Verbrauchsprodukts oder „Consumables“ ausgestaltet sind, welche ein festes oder flüssiges Medium enthalten. Das feste oder flüssige Medium enthält Wirkstoff und wird von einem Heizelement der Vorrichtung erhitzt, so dass der Wirkstoff in eine Gasphase transferiert und somit einen gasförmigen Zustand oder eine Aerosolform annimmt. Diese Gasphase wird anschließend von einem Konsumenten oder Benutzer inhaliert.
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Ein Beispiel für solche Vorrichtungen sind elektronische Zigaretten oder Verdampfer. Deren Verbrauchsprodukte enthalten eine den Wirkstoff enthaltende Flüssigkeit („Liquid“), welche verdampft wird. Der Wirkstoff kann beispielsweise Nikotin, ein medikamentöser Wirkstoff oder aber medikamenten- und nikotinfrei ausgestaltet sein, beispielsweise im Falle von Tee. Im Falle von Nikotin als Wirkstoff besteht die Flüssigkeit meist aus einem Gemisch aus Glyzerin, 1 ,2-Propandiol, Aromen und Nikotin.
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Ein weiteres Beispiel für solche Vorrichtungen sind sogenannte Tabakerhitzer, insbesondere Heat-not-Burn-Produkte. Tabak Heat-not-Burn(HnB)-Produkte stellen eine Alternative zu herkömmlichen Zigaretten dar. Sie verwenden Heizelemente, welche in einer Heizkammer angebracht sind, um den Nikotin als Wirkstoff enthaltenden Tabak zu erhitzen, anstatt ihn zu verbrennen. Das Ergebnis des Erhitzens ist ein Nikotin-enthaltendes Aerosol als Gasphase, welches von dem Benutzer eingeatmet wird. HnB-Produkte unterscheiden sich von anderen Arten der Dampferzeuger darin, dass echter Tabak erhitzt wird, anstatt einer Nikotin-enthaltenden Flüssigkeit. Hierfür ist das Verbrauchsprodukt als Tabakstick ausgestaltet, welcher in eine Heizkammer des HnB-Produktes eingeführt, typischerweise von dem Heizelement durchstochen und anschließend von dem Heizelement oder von den Wänden der Heizkammer erwärmt wird.
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Alle kommerziell auf dem Markt erhältlichen HnB-Produkte (bspw. „IQOS“ von PMI, „LilPlus“ von KT&G, „Glo“ von BAT, „IUOC 2“ von SYT, „Monk“ von CT, etc.) und weiteren Arten der Dampferzeuger verwenden elektronisch gesteuerte Heizelemente, basierend auf resistivem (Joule-)Heizen.
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Aktuell werden in den meisten dieser Vorrichtungen gewickelte Kanthal-Widerstände zur Erhitzung und Verdampfung des Wirkstoffs verwendet. Nachteilig an diesem Ansatz ist der relativ hohe Energieverbrauch eines gewickelten Drahtes, welcher - auch aufgrund seiner hohen thermischen Masse - durchgehend geheizt werden muss, um jederzeit genug Dampf für den Konsumenten zur Verfügung zu stellen.
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Diese Nachteile können durch den Einsatz von dünnen Kanthal-Netzen umgangen werden, welche durch Ihre geringe thermische Masse auch einen energiesparenderen gepulsten Heizzyklus ermöglichen. Allerdings geht die geringe Masse mit einer sehr geringen mechanischen Stabilität einher, wodurch die Langzeitstabilität solcher Vorrichtungen nicht gegeben ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Vorrichtung vorzustellen, welche ein energieeffizientes Überführen eines Wirkstoffs in eine Gasphase bei hoher Langzeitstabilität erlaubt.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Transferieren von einem Wirkstoff in eine Gasphase gelöst, welcher Wirkstoff mindestens einen organischen Bestandteil enthält, umfassend:
- - Ein Reservoir, welches zur Aufnahme des Wirkstoffs ausgestaltet ist;
- - Ein Heizelement, einer welches aus einer Folie aus einer Nickel-Chrom-Legierung oder einem Refraktärmetall gefertigt ist, wobei das Heizelement zum Emittieren von Wärmestrahlung ausgestaltet ist, und wobei das Heizelement derart bezüglich des Reservoirs angeordnet ist, dass der Wirkstoff zumindest mittels der von dem Heizelement emittierten Wärmestrahlung erhitzt wird.
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Erfindungsgemäß wird eine Folie als Heizelement eingesetzt. Die Folie ist dünn ausgestaltet und weist eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,5 µm bis 25 µm auf. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Folie, insbesondere wenn diese aus einer NickelChrom(NiCr)-Legierung besteht, bei Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom, bzw. einer elektrischen Spannung, Wärmestrahlung im infraroten Wellenlängenbereich emittiert. Die Erhitzung des Wirkstoffes ist daher sehr effizient, da die Wärme nicht nur über Wärmeleitung (bei Kontakt des Wirkstoffes mit dem Heizelement), sondern auch per Wärmestrahlung übertragen wird. In der gleichen Zeitdauer kann das Heizelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung somit mehr Wärme in den Wirkstoff einbringen als in aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen eingesetzten Heizelementen.
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Es hat sich ebenfalls gezeigt, dass die Wärmestrahlung im infraroten Wellenlängenbereich besonders gut mit den organischen Bestandteilen des Wirkstoffs interagiert, so dass die Erwärmung noch effizienter erfolgt. Beispielsweise emittiert ein solches Heizelement besonders viel Wärmestrahlung in dem Wellenlängenbereich, in welchem Glycerin, welches Bestandteil vieler Liquids für E-Zigaretten hauptsächlich absorbiert (im Bereich um 3 µm Wellenlänge).
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Ein solches Heizelement kombiniert dazu eine geringe thermische Masse (resultierend in schnellen Heizraten von bis zu 2000 Kelvin pro Sekunde) mit einer guten mechanischen Stabilität, wodurch die Langzeitstabilität gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen erhöht ist.
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Die Begriffe „Wirkstoff“ und „Reservoir“ sollen im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung breit verstanden werden. Als Wirkstoffe werden medizinische Wirkstoffe wie Kräuter oder Medikamente, pflanzenbasierte Wirkstoffe, Nikotin, etc., aber auch medikamenten- und nikotinfreie Wirkstoffe wie Aromastoffe, etc., verstanden. Die Wirkstoffe können in einer Flüssigkeit gelöst sein, welche in das Reservoir gegeben wird. Als Reservoir kann aber auch der natürliche Ursprungsort eines Wirkstoffs bezeichnet werden, welcher in die Vorrichtung gegeben wird, bspw. Tabak im Falle des Wirkstoffes Nikotin (siehe bspw. Tabaksticks bei HnB-Produkten).
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Neben den genannten Komponenten „Heizelement“ und „Reservoir“ kann eine solche Vorrichtung eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen: ein Mundstück zur Aufnahme der Gasphase durch einen Benutzer, einer elektrische Energieversorgungseinheit, bspw. eine Batterie oder ein Akku, eine Steuerelektronik oder Regel-/Auswerteeinheit zum Ansteuern des Heizelements, mindestens ein Bedienelement zum Starten des Heizvorgangs durch einen Bediener und ein Gehäuse, in welchem die vorgenannten Komponenten angeordnet sind.
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Gemäß einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Heizelement derart bezüglich des Reservoirs angeordnet ist, dass eine berührungslose Wärmeübertragung mittels der emittierten Wärmestrahlung von dem Heizelement auf den Wirkstoff etabliert ist. Das Heizelement selbst steht also nicht mit dem Reservoir oder dem Wirkstoff in wärmeleitenden Kontakt, so dass die Wärmeübertragung im Wesentlichen über die emittierte Wärmestrahlung des Heizelements erfolgt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der ersten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Heizelement in ein Gehäuse eingebracht ist, wobei das Gehäuse ein Fenster aufweist, welches Fenster für die Wärmestrahlung durchlässig ausgestaltet ist, und wobei das Fenster derart an dem Reservoir angebracht ist, dass das Fenster mit dem Wirkstoff in Kontakt steht. Bei dem Gehäuse handelt es sich beispielsweise um ein gekapseltes Gehäuse, wie dieses bei IR-Strahlern zur Anwendung kommt. Das Reservoir ist, je nach Ausgestaltung, derart bezüglich des Fensters angeordnet sein, dass das Reservoir und/oder der Wirkstoff mit dem Fenster in Kontakt steht. Das Heizelement berührt hierbei das Fenster nicht. Das Fenster besteht beispielsweise aus Saphir, Silizium, Germanium, Kalziumfluorid, Bariumfluorid, Zinkselenid, Diamant oder Glas.
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Eine vorteilhafte alternative Ausgestaltung der ersten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Heizelement entfernt von dem Reservoir angeordnet ist und wobei das Heizelement derart in Richtung des Reservoirs gerichtet ist, dass die vom Heizelement emittierte Wärmestrahlung hauptsächlich auf den Wirkstoff trifft. Auch in dieser Ausführungsform kann das Heizelement in einem wie obig beschriebenen Gehäuse mit Fenster eingebaut sein.
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Gemäß einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Heizelement derart bezüglich des Reservoirs angeordnet ist, dass das Heizelement den Wirkstoff berührt, und dass eine Wärmeübertragung von dem Heizelement auf den Wirkstoff mittels Wärmestrahlung und Wärmeleitung etabliert ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Heizelement derart geformt ist, dass dieses eine Vertiefung zur Aufnahme einer den Wirkstoff enthaltenden Mediums aufweist. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit, in welcher der welcher der Wirkstoff gelöst ist. Auch können Bestandteile des Reservoirs selbst, bspw. Teile der Tabakblätter im Falle der Verwendung eines Tabaksticks als Reservoir, als Medium angesehen werden.
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Das Heizelement weist hierfür eine Mulde oder eine Vertiefung auf, in welche das Medium eingeführt wird. Im Falle einer Flüssigkeit als Medium kann vorgesehen sein, dass die Flüssigkeit stetig von dem Reservoir nachgeführt wird, oder dass die Mulde, bzw. Vertiefung nur einmalig pro Gebrauch befüllt wird, bzw. gefüllt ist.
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Eine vorteilhafte alternative Ausgestaltung der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Heizelement derart innerhalb des Reservoirs angeordnet ist, dass das Heizelement im gefüllten Zustand des Reservoirs in das Reservoir eingetaucht ist und insbesondere im Wesentlichen komplett mit einem den Wirkstoff enthaltenden Medium bedeckt ist. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit, in welcher der Wirkstoff gelöst ist. Auch können bspw. Teile der Tabakblätter als Medium angesehen werden, im Falle der Verwendung eines Tabaksticks als Reservoir.
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Eine vorteilhafte alternative Ausgestaltung der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Wirkstoff in einer Flüssigkeit enthalten ist, wobei das Heizelement aus einem Schichtverbund mit einer n-fachen Anzahl von Schichten der Folie und einer n+1-fachen Anzahl von Vliesschichten besteht, wobei n>=1, wobei der Schichtverbund derart aufgebaut ist, dass sich die Schichten der Folie mit den Vliesschichten abwechseln und wobei die unterste Schicht und die oberste Schicht des Schichtverbunds Vliesschichten gebildet werden, und wobei die Vliesschichten ausgestaltet sind, die Flüssigkeit aufzunehmen. Das Heizelement ist also schichtweise aus Schichten der Metallfolie und Vliesschichten aufgebaut. Dadurch kann ein noch effizienteres Beheizen des Wirkstoffes erzielt werden.
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Im einfachsten Falle besteht das Heizelement somit aus einer Schicht der Folie, welche auf beiden Seiten von jeweils einer Vliesschicht bedeckt ist. Zur Erhöhung der Heizeffizienz und der beheizbaren Flüssigkeitsmenge kann die Anzahl der Schichten der Folie - und somit der Vliesschichten - erhöht werden. Eine Folienschicht ist also stets auf beiden Seiten von einer Vliesschicht bedeckt, um ein eventuelles Durchbrennen der Folienschichten zu verhindern.
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Vorteilhafterweise sind die Schichten der Folie elektrisch parallel oder seriell miteinander verschaltet. Im Falle einer parallelen Verschaltung weisen die Schichten der Folie einen niedrigen elektrischen Widerstand auf, wodurch diese Variante für eine elektrische Ansteuerung mit hohen elektrischen Strömen geeignet ist. Im Falle einer seriellen Verschaltung weisen die Schichten der Folie einen hohen elektrischen Widerstand auf, wodurch diese Variante für eine elektrische Ansteuerung mit niedrigen elektrischen Strömen geeignet ist.
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Eine vorteilhafte alternative Ausgestaltung der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Wirkstoff in einer Flüssigkeit enthalten ist, wobei das Heizelement aus einem Schichtverbund mit einer Schicht der Folie und einer Vliesschicht besteht, wobei der Schichtverbund zylinderförmig aufgerollt ist, und wobei die Vliesschicht ausgestaltet ist, die Flüssigkeit aufzunehmen. Im Gegensatz zu dem obig beschriebenen Schichtverbund besteht das Heizelement aus einer einzigen, langen Schicht der Folie, welche mit einer Vliesschicht bedeckt ist. Diese bedeckte Schicht der Folie wird derart aufgerollt, dass sich die Vliesschicht auf der nach außen gelegenen Seite befindet, so dass von der Außenseite des Zylinders betrachtet nur die Vliesschicht, aber nicht die Schicht der Folie ersichtlich ist, um ein eventuelles Durchbrennen der Folienschicht zu verhindern. Diese Ausgestaltung zeichnet sich durch einen hohen elektrischen Widerstand aus, wodurch das Heizelement für eine elektrische Ansteuerung mit niedrigen elektrischen Strömen geeignet ist
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Eine vorteilhafte Ausführung sieht hierbei vor, dass die Vliesschicht, bzw. die Vliesschichten die Flüssigkeit kontaktieren, und wobei die Vliesschicht derart ausgestaltet ist, einen Kapillareffekt zum Bewegen der Flüssigkeit hin zu der Schicht der Folie, bzw. der Schichten der Folie, auszubilden. Dadurch wird den Vliesschichten, bzw. der Vliesschicht, automatisch stets neue Flüssigkeit zugeführt.
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Vorteilhafterweise ist in einer Ausführung vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Regel-/Auswerteeinheit umfasst, wobei die Regel-/Auswerteeinheit ausgestaltet ist, eine in der Vliesschicht, bzw. den Vliesschichten, befindliche Flüssigkeitsmenge über einer Kapazitätsmessung zu bestimmen, wobei die Schicht der Folie, bzw. die Schichten der Folie, als Elektroden wirken. Hierfür werden, im Falle der Verwendung des Schichtverbunds, mindestens zwei Schichten der Folie benötigt, bzw. die einen Schicht der Folie im Falle der Verwendung der gerollten Variante. Im erstgenannten Fall wirkt der Schichtverbund ähnlich wie ein Plattenkondensator, im letztgenannten Fall wie ein Wickelkondensator.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Schichtverbund durch ein Verbinden der mindestens einen Schicht der Folie und der mindestens einen Vliesschicht mittels eines thermischen Fügens oder Laminierens erzeugt.
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Vorteilhafterweise ist die zumindest eine Vliesschicht perforiert. Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, dass die zumindest eine Schicht der Folie perforiert ist. Durch Überführen der Flüssigkeit in die Gasphase wird Verdampfungsgut erzeugt, welches durch die geringere Dichte zu einem Aufblähen der Vliesschichten und einer damit verbundenen hohen mechanischen Belastung der Schichten der Folien führen könnte. Um ein eventuelles irreparables Beschädigen des Heizelements zu verhindern, können Perforationen in den Vliesschichten und/oder in der Schicht(en) der Folie vorgesehen sein.
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Im einfachsten Falle wird die Perforation der Vliesschichten dadurch gebildet, dass ein poröses Vlies als Material verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich ist eine gerichtete Perforation vorgesehen, insbesondere orthogonal zur Stapelrichtung, um das Abführen der Gasphase zu verbessern.
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Auch die Perforation der Schicht(en) der Folie kann ungerichtet ausgestaltet sein. Durch eine gezielte Ausgestaltung der Perforation lässt sich jedoch der elektrische Widerstand der Schichten der Folie einstellen: Wird orthogonal zur Stromrichtung perforiert, erhöht sich der elektrische Widerstand der Schicht(en) - in Stromrichtung jedoch gibt es bis auf die Verringerung der Querschnittsfläche der Folie keine Auswirkung auf den elektrischen Widerstand. Durch eine vorteilhafte Ausgestaltung der Perforation können die elektrischen Eigenschaften der Folienschicht (elektrischer Widerstand, etc.) an den von der Energiequelle bereitgestellten elektrischen Strom angepasst werden, so dass die gewünschte Heizleistung erreicht wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Folie aus einer ersten Schicht und aus auf einer ersten Seite der Folie aufgebrachten zweiten Schicht besteht, wobei die zweite Schicht eine Nanostrukturierung aufweist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Folie aus einer ersten Schicht, aus auf einer ersten Seite der Folie aufgebrachten zweiten Schicht und aus auf einer zweiten Seite der Folie aufgebrachten dritten Schicht besteht, wobei die zweite Schicht und die dritte Schicht eine Nanostrukturierung aufweisen.
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In beiden Fällen sorgen die Nanostrukturen, die ebenfalls aus dem metallischen Material bestehen, insbesondere aus der NiCr-Legierung, für eine Erhöhung der Wärmestrahlungsabgabe, aufgrund einer Anpassung des Brechungsindex zwischen Metallfolie und umgebenden Medium. Im einfachsten Falle ist die Nanostrukturierung ungeordnet und sorgt für eine poröse Oberfläche.
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Die Nanostrukturierung kann für alle der vorgenannten Ausgestaltungen des Heizelements vorteilhafterweise verwendet werden.
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Vorteilhafterweise ist die Nanostrukturierung derart ausgestaltet, dass diese hydrophob gegenüber der transferierten Gasphase ist und dass die Nanostrukturierung Kanäle für ein Abführen der transferierten Gasphase ausbildet. Dadurch kann das Abführen der ausgebildeten Gasphase verbessert und die Effizienz des Heizelements erhöht werden. Hierfür sind die Nanostrukturen beispielsweise als Nanokegel oder Nanostäbchen mit einer sehr geringen Höhe von kleiner gleich 100 nm ausgestaltet.
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Alternativ ist die Nanostrukturierung derart ausgestaltet, dass diese hydrophil gegenüber der transferierten Gasphase ist. Die Nanostrukturen sind hierfür beispielsweise als Nanostäbchen mit einer Größe von mehr als 100 nm ausgestaltet.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1: ein Ausführungsbeispiel eines Heizelements der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 2: ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 3: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 4: ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 5: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 6: eine Ausgestaltung des Heizelements als Schichtstapel;
- 7: eine weitere Ausgestaltung des Heizelements als Schichtstapel;
- 8: eine Ausführungsform eines aufgerollten Heizelements; und
- 9: Ausgestaltungen für Nanostrukturierungen der Folie des Heizelements.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel des Heizelements 100 der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgebildet. Der Aufbau dieses Heizelements ist die Grundlage für die in 2 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispielen der Vorrichtung. Die linke Zeichnung (1 a)) zeigt eine Draufsicht auf das Heizelement 100, die rechte Zeichnung (1 b)) zeigt eine Seitensicht auf das Heizelement 100.
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Das Heizelement 100 beinhaltet eine Schicht einer dünnen Folie 101 aus einer NiCr-Legierung. Die Dicke der Folie liegt in einem ungefähren Bereich von 0,5 µm bis 25 µm Die Folie 101 wird in die Form eines schmalen Streifens geschnitten und zwischen zwei Kontaktierungspins 110 schwebend befestigt. Die Befestigung kann beispielsweise mittels Widerstandsschweißens etabliert werden. Die Kontaktierungspins 110 selbst sind an einem Gehäusesockel 120 angebracht. Durch die Ausbildung der Folie 101 als Streifen und der mechanischen Kontaktierung an den Kontaktierungspins 110 ergibt sich eine hohe mechanische Stabilität des Heizelements 100.
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Die Kontaktierungspins 110 dienen neben dem mechanischen Befestigen der Folie 101 dem elektrischen Kontaktieren der Folie 101 mit einer Spannungs- oder Stromquelle, welche dem Beaufschlagen der Folie mit einer elektrischen Leistung dient. Das Beaufschlagen der Folie 101 mit der elektrischen Spannung resultiert in einer Erwärmung der Folie 101, wodurch diese Wärmestrahlung im Infrarotspektrum emittiert.
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Im Folgenden sind mehrere Möglichkeiten gezeigt, wie ein solches Heizelement 100 in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bezüglich eines Reservoirs 200 mit einem Wirkstoff 210 angeordnet sein kann. In sämtlichen im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Wirkstoff 210 in einer Flüssigkeit gelöst.
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2 zeigt eine Variante der Vorrichtung, in welcher zwischen Reservoir 200 und Heizelement 100 keine Kontaktierung, bzw. Berührung besteht. Hierfür wird das Gehäuse 130 des Heizelements 100 geschlossen, indem auf den Gehäusesockel 120 eine Kappe gesetzt und mit dem Gehäusesockel 120 verschweißt wird. Das Gehäuse 130 enthält ein Fenster 140, welches auf einem Material besteht, welches für die Wärmestrahlung durchlässig ist, insbesondere aus Saphir, Silizium, Germanium, Kalziumfluorid, Bariumfluorid, Zinkselenid, Diamant oder Glas. Der Rest des Gehäuses 130 ist für die Wärmestrahlung nicht, oder wesentlich weniger, durchlässig.
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Das Reservoir 200 ist derart bezüglich des Gehäuses 130 angeordnet, dass der Boden des Reservoirs 200 das Fenster 140 kontaktiert, bzw. dass die den Wirkstoff 210 enthaltene Flüssigkeit das Fenster 140 kontaktiert. Die Wärmestrahlung (siehe Pfeile) der durch die beaufschlagte elektrische Leistung erhitzte Folie 101 trifft auf das Reservoir 200 oder die Flüssigkeit, wodurch die Flüssigkeit mit dem Wirkstoff durch Verdampfen in die Gasphase transferiert wird. Der Wirkstoff 210 umfasst einen organischen Anteil, welcher die Wärmestrahlung besonders gut absorbiert und das Transferieren beschleunigt.
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3 zeigt eine weitere Variante der Vorrichtung, in welcher zwischen Reservoir 200 und Heizelement 100 keine Kontaktierung, bzw. Berührung besteht. Hierbei ist das Heizelement 100 entfernt von dem Reservoir 200 angeordnet, aber derart bezüglich des Reservoirs 200 positioniert, dass die von dem Heizelement 100 emittierte Wärmestrahlung zum Großteil auf die den Wirkstoff 210 enthaltene Flüssigkeit im Reservoir gerichtet ist, wodurch diese in die Gasphase übergeht.
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4 zeigt eine Variante der Vorrichtung, in welcher zwischen Flüssigkeit und Heizelement 100 eine wärmeleitende Kontaktierung, bzw. Berührung besteht. Die Folie 101 weist hierfür eine Vertiefung oder Kuhle auf, bzw. kann schiffchenförmig ausgestaltet sein. Die Flüssigkeit wird direkt in die Kuhle gegeben. Neben der entstehenden Wärmestrahlung erhitzt die Folie 101 die Flüssigkeit zusätzlich durch Wärmeleitung, wodurch die Flüssigkeit mit dem enthaltenen Wirkstoff 210 schnell in die Gasphase übergeht.
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5 zeigt eine Variante der Vorrichtung, in welcher zwischen Reservoir 200 und Heizelement 100 eine wärmeleitende Kontaktierung, bzw. Berührung besteht. Das Reservoir wird direkt an dem Heizelement 100 angebracht, so dass sich die Folie 101 im gefüllten Zustand des Reservoirs 200 vollständig in der Flüssigkeit befindet. Hierfür wird bspw. der Gehäusesockel 130 mit Wänden versehen, so dass das Reservoir gebildet wird. Ebenso wie im vorherigen Ausführungsbeispiel wird die Flüssigkeit neben der entstehenden Wärmestrahlung zusätzlich durch Wärmeleitung von der die Flüssigkeit kontaktierenden Folie 101 erhitzt, wodurch die Flüssigkeit mit dem enthaltenen Wirkstoff 210 schnell in die Gasphase übergeht.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Heizelements 100, welches grundsätzlich anders als die in den 1 bis 5 beschriebenen Heizelementen aufgebaut ist. Das Heizelement 100 besteht aus einem Schichtverbund, welcher schichtweise aus Schichten der Folie 101-1, 101-2, ..., 101-n und Vliesschichten 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 aufgebaut ist. Die Schichten der Folie 101-1, 101-2, ..., 101-n und Vliesschichten 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 sind beispielsweise durch Laminieren miteinander verbunden. In einem solchen Aufbau können die einzelnen Schichten der Folie 101-1, 101-2, ..., 101-n parallel oder seriell verschaltet und elektrisch kontaktiert werden, abhängig davon, welche elektrischen Parameter durch die Regel-/Auswerteeinheit vorgegeben werden.
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Die Flüssigkeit mit dem Wirkstoff 210 befindet sich in den Vliesschichten 102-1, 102-2, ..., 102-n+1. Jede Schicht der Folie 101-1, 101-2, ..., 101-n ist von zwei Vliesschichten 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 in Kontakt. So ist ein hoher Wärmeübertrag von den Schichten der Folie 101-1, 101-2, ..., 101-n in den Wirkstoff 210 aufgrund der großen Berührungsfläche möglich. Durch Beaufschlagen der Schichten der Folie 101-1, 101-2, ..., 101-n mit elektrischer Energie erwärmen sich diese und geben Wärme in Form von Wärmestrahlung und Wärmeleitung an die einzelnen, die Flüssigkeit mit dem Wirkstoff enthaltenen Vliesschichten 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 ab, so dass dieser in die Dampfphase übergeht. Die Vliesschichten 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 sind jeweils an einem ihrer Enden in das Reservoir 200 getaucht, so dass durch den Kapillareffekt stets neue Flüssigkeit in die Vliesschichten 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 geführt wird.
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Rein elektrisch handelt es sich bei dem Aufbau des Schichtverbunds um einen Plattenkondensator, wobei die Schichten der Folie 101-1, 101-2, ..., 101-n die Elektroden darstellen. Das hat den Vorteil, dass die Regel-/Auswerteeinheit über eine Kapazitätsmessung bestimmen kann, wieviel der Flüssigkeit sich noch in den einzelnen Vliesschichten 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 befindet.
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Durch das Überführen der Flüssigkeit in die Dampfphase kommt es zu einer starken Vergrößerung des Volumens, da Gase eine wesentlich geringere Dichte als Flüssigkeiten aufweisen. Wenn dieses entstandene Gasvolumen nicht abtransportiert wird, könnte es zu einem Aufblähen der Vliesschichten 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 und dadurch zu mechanischen Beschädigungen der Schichten der Folie 101-1, 101-2, ..., 101-n kommen, was zu einer irreparablen Beschädigung des Heizelements 100 führen kann. Um dem vorzubeugen, sind Perforationen 103 in die Vliesschichten 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 eingebracht. Diese können im einfachsten Fall durch Wahl eines porösen Vliesmaterials inhärent in den Vliesschichten 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 enthalten sein. Alternativ werden diese Perforationen 103 mechanisch in die Vliesschichten 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 eingebracht, in Fall der 6 in Stapelrichtung. In diesem Beispiel weisen auch die Schichten der Folie 101-1, 101-2, ..., 101-n entsprechende Perforationen 103 auf, damit auch in den mittleren Vliesschichten entstehende Gase abgeleitet werden können.
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7 zeigt ein ähnliches Heizelement 100, wie es in bereits in 6 beschrieben wurde. Allerdings sind die Perforationen 103 hier orthogonal zur Stapelrichtung eingebracht, so dass die entstehenden Gase aus jeder Stapelebene entweichen können. Hier müssen die Schichten der Folie 101-1, 101-2, ..., 101-n nicht zwingend mit Perforationen 103 versehen werden.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Heizelements 100, welches eine solche Vliesschicht 102 verwendet. Die obere Zeichnung (8a)) zeigt eine Draufsicht auf das Heizelement 100, die untere Zeichnung (8b)) zeigt eine Seitensicht auf das Heizelement 100.
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Hier ist das Heizelement 100 als Schichtstapel aus einer Folie 101 und einer darauf aufgebrachten Vliesschicht 102 aufgebaut. Diese Schichtkombination wird zu einem Zylinder aufgerollt. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch einen hohen elektrischen Widerstand aus, da eine einzige, lange Folie 101 verwendet wird, wodurch sich diese Lösung für eine Ansteuerung mit niedrigen elektrischen Strömen eignet.
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Ein Ende der Vliesschicht 102 kann auch hier in das Reservoir 200 getaucht werden, so dass durch den Kapillareffekt stets neue Flüssigkeit in die Vliesschicht 102 geführt wird. Die Lösung eignet sich ebenfalls dazu, eine Kapazitätsmessung zur Bestimmung des Flüssigkeitsanteils in der Vliesschicht 102 durchzuführen. Ebenso können Perforationen 103 in die Vliesschicht eingearbeitet werden, um für eine Abführung der entstehenden Gase zu sorgen.
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9 zeigt zwei Beispiele einer speziellen Ausgestaltung der Folie 101. Auf eine - oder beide Seiten - der Folie wird eine - bzw. zwei (bei beiden Seiten) - zusätzliche Schichten aufgebracht. Diese zusätzliche Schicht, bzw. die zusätzlichen Schichten, umfassen Nanostrukturierungen 104, im vorliegenden Fall bestehend aus einem regelmäßigen Muster aus Säulen in Nanometerlängenbereich. Alternativ kann die Nanostrukturierung auch anders ausgestaltet sein, insbesondere durch eine poröse, unregelmäßige Ausgestaltung der aufgebrachten Schicht.
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Aufgrund der durch die Nanostrukturierung 104 effektiv vergrößerte Oberfläche der Folie 101 wird der Ertrag der Wärmeabstrahlung maximiert, was in einer erhöhten Effizienz des Heizelements 100 resultiert. Dieser Effekt ist für alle vorab beschriebenen Ausführungsbeispiele erzielbar.
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Der Aufbau in 9 (a) eignet sich besonders für eine Verwendung in einer Vorrichtung wie in 4 gezeigt. Die Nanostrukturierung 104 sorgt dafür, dass sich die Folie 101 hydrophob verhält. Dadurch berührt die Flüssigkeit nur einen Teil der Oberfläche der Folie 101, so dass die entstehende Gasphase effektiv abgeführt werden kann.
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Der Aufbau in 9 (b) eignet sich besonders für eine Verwendung in einer Vorrichtung wie in 6 bis 8 gezeigt. So bildet die Nanostrukturierung 104 Kanäle aus, durch welche die entstehenden Gase effektiv abgeführt werden können. Diese Lösung kann anstatt oder zusätzlich zu den Perforationen verwendet werden.
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Alle in den 1 bis 9 beschriebenen Ausführungsbeispiele eignen sich für Vorrichtungen wie Verdampfer, elektronische Zigaretten oder Tabakerhitzer, insbesondere Heat-not-Burn-Produkte.
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Alternativ zu der in den Ausführungsbeispielen genannten Flüssigkeiten können die Wirkstoffe 120 auch in einem Feststoff enthalten sein, bspw. in Tabakblättern. Die Ausführungsbeispiele wie in 1 bis 5 gezeigt können entsprechend auch für solche Feststoffe verwendet werden.
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Insbesondere wenn die Wärmeübertragung nahezu ausschließlich per Wärmestrahlung erfolgen soll, siehe 3, kann ein Refraktärmetall als Material für die Folie verwendet werden. Dieses erlaubt das Betreiben des Heizelements bei höheren Temperaturen, was für die kontaktlose Variante vorteilhaft ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Heizelement
- 101
- Folie
- 101-1, 101-2, ..., 101-n
- Schichten der Folie
- 102-1, 102-2, ..., 102-n+1
- Vliesschichten
- 103
- Perforation
- 110
- Kontaktierungspins
- 120
- Gehäusesockel
- 130
- Gehäuse
- 140
- Fenster
- 200
- Reservoir
- 210
- Wirkstoff
