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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein persönliches elektronisches Abgabesystem, das zur Abgabe eines Abgabefluids an eine Person in der Lage ist. Dieses System erstreckt sich auf sogenannte E-Zigaretten
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Abgabesysteme, wie z. B. E-Zigaretten, sind bekannt und weisen eine Inhaliervorrichtung mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung aus, die als Mundstück geformt ist. E-Zigaretten weisen weiterhin einen Akku und einen Heizer auf, der von dem Akku mit Energie versorgt wird. Der Heizer ist um ein sogenanntes Dochtmaterial gewickelt, das als Zwischenspeicher wirkt, wobei der Heizer mit Hilfe eines beispielsweise in der Eintrittsöffnung angeordneten Durchflussdetektors ein- und ausgeschaltet wird. Ein Zwischenspeicher enthält das Abgabefluid, wie beispielsweise ein sogenanntes E-Liquid, bei dem es sich normalerweise um ein Gemisch von Propylenglycol, Glycerin, Nikotin und Aromastoffen handelt. Der Heizer verdampft und/oder zerstäubt das E-Liquid, sodass das Liquid inhaliert werden kann.
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Ein Problem bei herkömmlichen E-Zigaretten ist die ungenügende Beherrschung der Heizer-Temperatur bei in Betrieb befindlichem Heizer. Dies führt zu einer Verdampfung und/oder Zerstäubung des E-Liquids mit einer relativ großen Temperaturvariation, wodurch die Bestandteile im E-Liquid nicht nur erhitzt werden, und stattdessen verbrannt werden. Dadurch gelangen unerwünschte Bestandteile in das inhalierte Fluid gelangen, die sich im Hinblick auf die persönliche Gesundheit als problematisch erweisen könnten. Darüber hinaus weisen die meisten herkömmlichen E-Zigaretten einen Zwischenspeicher auf, der ausgeführt ist als eine Art Gewebe, die das E-Liquid enthält. Auch die Verbrennung dieses Zwischenspeicher-Materials kann dazu führen, dass die Person, die die E-Zigarette benutzt, unerwünschte Bestandteile inhaliert. Darüber hinaus kann die Benutzung herkömmlicher E-Zigaretten zur Freisetzung von Schwermetallen führen.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein persönliches elektronisches Abgabesystem, das sich ausdrücklich auf E-Zigaretten erstreckt, zu bieten, das eine besser beherrschbare Zerstäubung und/oder Verdampfung ermöglicht und auf diese Weise Gesundheitsprobleme verringert und/oder verhütet.
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Dieses Ziel wird mit dem persönlichen elektronischen Abgabesystem entsprechend der vorliegenden Erfindung verwirklicht, welches System aufweist:
- – ein Gehäuse, welches ein erstes Ende mit einer Eintrittsöffnung und ein zweites Ende mit einer Austrittsöffnung aufweist;
- – einen Fluidpfad, der sich im Wesentlichen zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung befindet;
- – ein Zwischenspeicher zur Aufnahme eines Abgabefluids, und Verbindungsmittel, die dazu konfiguriert sind, ein Abgabefluid an den Fluidpfad abzugeben;
- – ein in dem Fluidpfad oder in der Nähe desselben angebrachter Heizer, der dazu konfiguriert ist, das Abgabefluid so zu erhitzen, dass zumindest ein Teil des Abgabefluids im Fluidpfad zerstäubt und/oder verdampft wird, und eine Energiequelle, die dazu konfiguriert ist, den Heizer mit Energie zu versorgen;
wobei der Heizer einen Leiter und eine poröse Keramikschicht aufweist, die dazu konfiguriert ist, die Zerstäubung und/oder Verdampfung zu beherrschen.
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Durch die Anwesenheit eines Fluidpfads von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung, die vorzugsweise als Mundstück ausgeführt ist, kann man beim Inhalieren an der Austrittsöffnung beispielsweise Raumluft einziehen/einsaugen. Dadurch entsteht ein persönliches elektronisches Abgabesystem, wie z. B. E-Zigaretten, das sich auch auf sogenannte E-Zigarren erstreckt. Der Heizer, mit dem das System ausgestattet ist, zerstäubt und/oder verdampft das Abgabefluid, wenn der Heizer eingeschaltet ist. Die Einschaltung des Heizers kann beispielsweise durch Verwendung eines Durchflussreglers in der Nähe der Eintrittsöffnung bewirkt werden. Der Heizer wird von einer Energiequelle, beispielsweise einem (wiederaufladbaren) Akku, mit Energie versorgt. Das Abgabefluid kann ein Mischung von Flüssigkeiten und/oder Feststoffen betreffen, einschließlich sogenannter E-Liquide, die ein Gemisch von Propylenglycol, Glycerin, Nikotin und Aromastoffen enthalten können. Es ist einsichtig, dass auch andere Bestandteile angewendet werden können und/oder dass das Nikotin aus dem Gemisch weggelassen werden kann.
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Das Heizelement weist einen Leiter auf, der die Form einer Platte, eines Drahts, einer Folie, eines Rohrs, eines Schaums, einer Stange oder jede andere geeignete Form aufweisen kann, vorzugsweise aus einem sogenannten Widerstandsheizmaterial, das erhitzt werden kann, indem man den Leiter des Heizelements mit einem elektrischen Strom beaufschlagt. Der Leiter kann aus einem geeigneten Material sein, wie u. a. Aluminium, FeAl, NiC, FeCrAl (Kanthal), Titan und deren Legierungen.
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Die Keramikschicht, die auf oder neben dem Leiter angeordnet ist, ermöglicht eine effektive Beherrschung der Heizertemperatur, wodurch eine Verbrennung von in dem Abgabefluid und/oder anderen Elementen des Systems, wie z. B. dem Zwischenspeicher-Material, enthaltenen Bestandteilen verhindert wird. Dies verbessert die Qualität des inhalierten Fluids, indem die Anwesenheit unerwünschter Bestandteile in diesem Fluid verhindert wird.
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Als zusätzlicher Effekt verschafft die Keramikschicht dem Leiter Struktur und Stabilität, wodurch die Stärke und Stabilität des Heizers insgesamt gesteigert wird. Dies ist besonders wichtig in dem Fall, wenn das System als E-Zigarette angewendet wird. Eine solche E-Zigarette ist häufigen Bewegungen, Vibrationen und/oder anderen Erschütterungen ausgesetzt. Die gesteigerte Stabilität verhindert beispielsweise Funktionsstörungen und/oder den Kontakt des Heizers mit anderen Bauteile des Systems, einschließlich des Zwischenspeichermaterials, wie z. B. ein in E-Liquid getränktes Gewebe. Dadurch wird ein unerwünschtes Verbrennen von Bestandteilen verhindert. Darüber hinaus verhindert die Keramikschicht die Freisetzung von Schwermetallen.
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Außerdem ermöglicht die Keramikschicht die Adsorption und/oder Absorption des E-Liquids in die Poren der Keramikschicht.
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In einer derzeit bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform hat die Keramikschicht eine Dicke im Bereich von 5–300 μm, vorzugsweise 10–200 μm, mehr vorzugsweise 15–150 μm und am meisten vorzugsweise ungefähr 100 μm.
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Indem die Keramikschicht mit einer ausreichenden Dicke ausgeführt wird, lassen sich Stabilität und Stärke des Heizer verbessern. Darüber hinaus wird die Isolation verbessert, wodurch die Wärmeübertragung und/oder Wärmeerzeugung beherrscht werden kann. Die Dicke der Keramikschicht kann auf den Typ des E-Liquids und/oder das spezifische System und/oder die erwünschten Eigenschaften abgestimmt werden. Diese Flexibilität stellt einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Systems dar.
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Vorzugsweise wird die Keramikschicht mittels Plasmaoxidation auf oder an dem Leiter angebracht. Das Heizelement wird vorzugsweise aus einem Titanmaterial oder einem anderen geeigneten Material hergestellt, auf das mittels der plasmaelektrolytischen Oxidation eine poröse Metall-Oxid-Schicht, wie z. B. Titanoxid, aufgebracht wird. Die plasmaelektrolytische Oxidation ermöglicht es, dass von dem Titan ein relativ dicke Titan-Schicht (> 130 μm) aufgebracht wird, indem das Titan (bzw. ein Teil desselben) zu Titanoxid oxidiert wird. Es entsteht eine poröse, flexible und elastische Titanoxid-Keramikschicht. Die plasmaelektrolytische Oxidation setzt eine erheblich höhere Spannung (> 350–550 V) im Vergleich zur üblichen anodischen Oxidation (15–21 V) voraus. Bei dieser hohen Spannung erscheinen Mikro-Entladungsbögen auf der Oberfläche des Titans oder anderen Materials, die die Aufbringung der dicken (Titan-)Oxidschicht herbeiführen. Es können auch andere Metalle, wie Aluminium oder Nichrom, für das Heizelement verwendet werden. Beispielsweise haben Ergebnisse gezeigt, dass eine Keramikschicht auf einer Aluminiumfolie mit einer Dicke von ungefähr 13 μm erzielt werden kann, mit einer flexiblen und elastischen Keramikschicht Einer der vorteilhaften Effekte der Verwendung der Plasmaoxidation zur Aufbringung der Keramikschicht besteht darin, dass aufgrund des Wachstums der Schicht aus dem Metall während der Oxidation eine hervorragende Anhaftung der Keramikschicht am Metall erzielt wird.
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In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform weist die Struktur des Heizelements einen dünnen Draht aus Titan, Aluminium oder einem beliebigen anderen Valve-Metall auf. Ein solches Valve-Metall ist dazu in der Lage, eine Oxidschicht zu bilden, die auf seiner Oberfläche eine Schutzschicht bildet und durch die es dann nicht weiter oxidiert. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform wird Titan für das Heizelement verwendet, in Anbetracht seines relativ hohen Widerstands, durch den ein relativ schneller Erhitzungsprozess erzielt wird. Der Draht ist auf der anderen Seite mittels Plasmaoxidation beschichtet. Die Plasmaoxidation erfolgt, indem der Titandraht in einen Elektrolyten eingebracht wird. Beispielsweise weist der Elektrolyt 15 g/l (NaPO3)6 und 8 g/l Na2SiO3·5H2O auf. Der Elektrolyt wird mittels Kühlung auf einer Temperatur von 25°C gehalten. Der Draht wird als Anode verwendet und in einen Behälter eingebracht, der den Elektrolyten enthält. Um den Draht herum wird ein Kathode aus nichtrostendem Edelstahl positioniert. Zwischen dem Draht und der Kathode wird eine Stromdichte von ca. 0,15 A/cm2 aufrechterhalten. Die Strombeaufschlagung erfolgt im Pulsbetrieb mit ungefähr 1000 Hz. Das Potenzial nimmt schnell zu auf ungefähr 500 Volt zwischen dem Draht und der Kathode. Dadurch wird ein Plasmaoxidationsprozess auf dem Anodendraht herbeigeführt und eine Keramikschicht geschaffen. Da der Draht klein dimensioniert ist (100 Mikron), hat er einen relativ hohen elektrischen Widerstand (61 Ohm/m). Wenn der Draht mit einem Strom beaufschlagt wird, tritt eine Erhitzung des Drahts auf. Es ist einsichtig, dass die Prozessparameter von der Struktur des Heizelements und/oder den Abmessungen desselben abhängig sein können.
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In einer alternativen Ausführungsform wird eine Metallplatte, beispielsweise Aluminium, Titan oder ein anderes Valve-Metall, an mindestens einer Seite mit einer Keramikschicht beschichtet, beispielsweise mit Hilfe der Plasmaoxidation. Aufgrund des Widerstands der Metallplatte steigt deren Temperatur an, wenn sie mit einem Strom beaufschlagt wird. Es kann auch eine Struktur in das Metall geätzt werden, wodurch Metallstreifen eines Metalls entstehen, das einen relativ hohen Widerstand hat. Die Ätzung kann beispielsweise mit Hilfe elektrochemischen Abtragens erfolgen.
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Andere mögliche Herstellungsverfahren für das Heizelement sind das Sintern oder Spark-Plasma-Sintern, die Oxidation der Metall-Oberflächenschicht durch eine Erhitzung in einer sauerstoffreichen Umgebung, die anodische Oxidation und das Plasmaspritzen. Außerdem wäre es möglich, eine Beschichtung aus Aluminium, oder einem anderen Material, auf dem Leiter des Heizelements abzulagern, beispielsweise mit Hilfe des Lichtbogenspritzens, und das abgelagerte Material mit Hilfe der plasmaelektrolytischen Oxidation zum Oxid zu oxidieren.
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In einer derzeit bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der Heizer einen spiralförmigen Metalldraht als Leiter auf, wobei der Draht mit der Keramikschicht versehen wird.
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Wenn der Heizer einen spiralförmigen Metalldraht aufweist, kann eine effektive Zerstäubung und/oder Verdampfung von Abgabefluid erzielt werden. Der spiralförmige Metalldraht wird vorzugsweise im Fluidpfad angeordnet. Dadurch wird eine effektive Erhitzung des E-Fluids erzielt.
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Zu den weiteren möglichen Konfigurationen für den Heizer in einer Drahtkonfiguration gehören ein gerader Draht, ein ein- oder mehrlagiger Spulen-Draht, eine ein- oder mehrlagige Ringspule und eine Flachspule. Zu den weiteren möglichen Konfigurationen für den Heizer in einer Folien- oder Platten-Konfiguration gehören eine flache, runde, rechteckige, spiralgewickelte und gefaltete Konfiguration. Zu den weiteren möglichen Konfigurationen für den Heizer in einer Rohr-Konfiguration gehören ein Metallrohr mit einer beschichteten porösen Keramikschicht, und optional versehen mit einer (statischen) Mischstruktur oder Helix-Struktur, Rohrform der Folie/Platte und spiralgewickelte Folie/Platte. Noch eine weitere mögliche Konfiguration des Heizers in einer Schaum-Konfiguration erstreckt sich auf eine Schwamm-Struktur.
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In einer Ausführungsform entsprechend der vorliegenden Erfindung ist die Mittelachse oder Längsrichtung des spiralförmigen Metalldrahts im Wesentlichen quer zur Haupt-Fließrichtung des Fluids im Fluidpfad positioniert.
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In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform entsprechend der vorliegenden Erfindung weist der spiralförmige Heizer eine Mittelachse auf, die im Wesentlichen in einer Längsrichtung des Fluidpfads angeordnet ist. Noch mehr bevorzugt ist der Fluidpfad so ausgelegt, dass das inhalierte Fluid in der Längsrichtung durch den Spiraldraht hindurchfließt. Dies verbessert die Zerstäubung und/oder Verdampfung, wodurch die Beherrschung dieser Prozesse verbessert und/oder die Menge der zur Ausführung dieser Prozesse benötigten Energie reduziert wird. Dadurch wird die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Systems verlängert.
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In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform ist die Keramikschicht in solcher Weise porös ausgeführt, dass das Abgabefluid aus dem Zwischenspeicher in die Nähe des Leiters befördert wird.
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Durch die Ausführung mit einer porösen Keramikschicht ist es möglich, die Keramikschicht so zu konfigurieren, dass das Abgabefluid durch die Keramikschicht oder entlang der Keramikschicht befördert wird, wodurch das Abgabefluid von einem Zwischenspeicher zum Leiter befördert werden kann. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, einen gesonderten Zwischenspeicher, wie z. B. ein Zwischenspeichergewebe, vorzusehen.
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Vorzugsweise weist die Keramikschicht eine Porosität im Bereich von 10–80% auf, vorzugsweise 15–50%, weiter vorzugsweise 20–30% und am meisten vorzugsweise beträgt die Porosität ungefähr 25%. Es wurde gezeigt, dass besonders die Porosität in einem Bereich von 20–30% ein Leistungsoptimum, insbesondere der Keramikschicht sowie des Heizers insgesamt, bewirkt. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Verwendung der Plasmaoxidation zur Erzeugung der Keramikschicht vorteilhaft ist, indem sie die Beherrschung der Porosität der erzeugten Schicht ermöglicht.
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In einer derzeit bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Heizer im Wesentlichen vom Zwischenspeicher umgeben, wobei der Zwischenspeicher mit Öffnungen ausgestattet ist, die zur Beförderung des Abgabefluids zum Heizer konfiguriert sind.
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Vorzugsweise wird das E-Liquid/das Abgabefluid mittels eines Venturi-Effekts vom Zwischenspeicher zum Heizer transportiert, wenn ein Benutzer inhaliert und ein Luftstrom gestartet wird. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines Keils oder ähnlichen Elements.
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Indem der Zwischenspeicher im Wesentlichen um den Heizer herum angeordnet wird, kann das Fluid durch eine Anzahl kleiner Öffnungen in der Innenoberfläche (Oberflächenbereich) der Zwischenspeicherkammer abgegeben werden, die durch Kapillarwirkung des E-Liquids/des Abgabefluids mit Flüssigkeit gefüllt wird. Das Heizelement mit poröser Keramikschicht ist an der anderen Seite der Öffnungen(en) angeordnet. Die Flüssigkeit wird mittels der Kapillarwirkung zum Heizelement befördert. Wenn das Heizelement von einem elektrischen Strom erhitzt wird, wird die Flüssigkeit (das Liquid) von der Keramikschicht verdampft und die Flüssigkeit (das Liquid) in der Öffnung/den Öffnungen wird vom Element erhitzt. Aufgrund der von den Heizelementen hervorgerufenen höheren Temperatur sinkt die Viskosität und die Flüssigkeit (das Liquid) wird auf der Keramikschicht durch die Öffnungen oder Löcher adsorbiert. Die Löcher sind vorzugsweise in einem Metallrohr angebracht, da dies hitzebeständig ist. Dadurch wird für eine stabile Zufuhr von Abgabefluid zum Heizer gesorgt.
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Das Heizelement ermöglicht eine verbesserte Temperaturbeherrschung im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Dies sorgt für eine optimale Temperatur, wodurch die Viskosität des E-Liquids/des Abgabefluids um ihren Sollwert herum gehalten wird. Dadurch wird der Verdampfungsprozess verbessert.
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In einer derzeit bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das System weiterhin einen leistungs- und/oder stromsteigernden Kreis auf, der so konfiguriert ist, dass die Leistung gesteigert wird, wenn der Heizer eingeschaltet wird.
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Durch die Anwesenheit des Leistungs- und/oder Stromsteigerungskreises kann die Leistung vorübergehend gesteigert werden, wenn der Heizer eingeschaltet wird. Ein solcher Kreis kann eine Reihe von Kondensatoren und/oder Spulen aufweisen, welche Reihe aus einem oder mehreren Bauteilen bestehen kann. Der Kreis verstärkt den Effekt des Heizers und/oder verringert die Anforderungen für die Energiequelle.
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In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform wird ein Kondensator, vorzugsweise ein sogenannter Super-Kondensator, in einen Kreis aufgenommen, der einen Spitzenstrom bereitstellt, und zwar vorzugsweise, wenn ein Benutzer einer E-Zigarette zu inhalieren beginnt. Bei der Aktivierung des Heizers zur Zerstäubung und/oder Verdampfung des Fluids muss die Heizertemperatur erhöht werden. Durch die Anwesenheit eines (Super-)Kondensators kann diese Temperaturerhöhung schneller und fast augenblicklich ausgeführt werden. Dadurch kann die Vorrichtung, beispielsweise eine E-Zigarette, fast sofort einen Fluidstrom an ihrer Austrittsöffnung bereitstellen, der ein zerstäubtes und/oder verdampftes Abgabefluid enthält. Die Stromerhöhung/-spitze bei der Aktivierung des Heizelements fuhrt zu einer Hitzeentwicklung im Heizelement, die zur Zerstäubung und/oder Verdampfung des Abgabefluids benutzt wird. Das erfindungsgemäße Heizelement weist eine poröse Keramikschicht auf, die vorzugsweise dazu in der Lage ist, das Abgabefluid zu absorbieren und/oder zu adsorbieren. Dadurch wird das Heizelement dazu in die Lage versetzt, sofort mit der Zerstäubung und/oder Verdampfung zu beginnen. Ein weiterer vorteilhafter Effekt besteht darin, dass der Akku nicht den Spitzenstrom bereitzustellen braucht, wenn das Heizelement aktiviert wird. Dies macht es möglich, einen kleineren Akku vorzusehen, wodurch eine E-Zigarette so dimensioniert werden kann, dass sie beispielsweise der Größe einer herkömmlichen Zigarette entspricht. Darüber hinaus ist der Akku dank des zusätzlichen Kreises, der einen (Super-)Kondensator aufweist, keinen Lastspitzen ausgesetzt und kann daher auf einem konstanteren Niveau betrieben werden. Dadurch wird die Lebensdauer des Akkus verbessert. Der Kondensator kann von dem Akku geladen werden, nachdem das Heizelement deaktiviert worden ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Heizelement aus einem Titanmaterial hergestellt, das einen relativ niedrigen Widerstand bei niedriger Temperatur (z. B. 20°C) und einen hohen Widerstand bei einer höheren Temperatur aufweist. Dadurch kann ein höherer Strom an das Heizelement bereitgestellt werden, wenn das Heizelement aktiviert wird, während der angewendete Strom niedriger ist, nachdem das Heizelement seine optimale Betriebstemperatur erreicht hat. Faktisch ist der Widerstand des Titans bei der Verdampfungs- und/oder Zerstäubungstemperatur optimal für den Akku. Durch die Verwendung des (Super-)Kondensators wird der (Mindest-)Widerstand des Heizelements nicht mehr vom Akku beschränkt, wodurch ein verbesserter Entwurf des Heizelements und der Vorrichtung, die dieses Heizelement aufweist, möglich wird. Insbesondere die Kombination eines Super-Kondensators mit Titan-Drahtleiter erscheint vorteilhaft.
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In einer der derzeit bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist der Super-Kondensator an einen Ladeanschluss angeschlossen, der dazu konfiguriert ist, den Super-Kondensator zum Aufladen des Super-Kondensators an eine externe Stromquelle anzuschließen. Dies ermöglicht das externe Aufladen des Super-Kondensators, ohne dass der Akku die zum Aufladen des Super-Kondensators benötigte Leistung bereitzustellen braucht. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das System keinen Akku auf. In dieser Ausführungsform wird die gesamte benötigte Energie vom Super-Kondensator bereitgestellt, der von einer externen Stromquelle aufgeladen wird. Vorzugsweise hat der Super-Kondensator eine Kapazität von 12 Farad oder mehr. Dadurch wird die Zahl der Bauteile des Systems verringert, das Gewicht des Systems reduziert und sofort Energie für die Verdampfung/Zerstäubung bereitgestellt. Optional wird das System in der Zigarettenschachtel aufgeladen, beispielsweise mit Hilfe eines wiederaufladbaren Akkus.
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In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform ist der Leiter des Heizelements aus NiCr und vorzugsweise aus Titan hergestellt. Der Widerstand von Titan steigt im Vergleich zu NiCr temperaturabhängig schneller an.
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Das erfindungsgemäße System bietet ein effektives Mittel, ein Abgabefluid an eine Person abzugeben, um dieser beispielsweise das Gefühl zu vermitteln, Tabak zu rauchen, ohne durch die Verbrennung von Bestandteilen des Abgabefluids und/oder des Systems Gesundheitsprobleme zu steigern.
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Vorzugsweise weist der Heizer einen Leiter mit einer Keramikschicht auf. Mehr vorzugsweise wird die Keramikschicht mit Hilfe der Plasmaoxidation hergestellt. Die Plasmaoxidation wird vorzugsweise verwendet, da sie die Beherrschung der Porosität und/oder Dicke der Keramikschicht ermöglicht.
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Vorzugsweise erreicht der Heizer im Betrieb eine Temperatur im Bereich von 150–750°C, vorzugsweise 200–500°C und mehr vorzugsweise 250–400°C. Wie gezeigt, kann bei diesen Temperaturen eine gute Zerstäubung und/oder Verdampfung des Abgabefluids erzielt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden verdeutlicht auf der Basis ihrer bevorzugten Ausführungsformen, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen wird, in denen:
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zeigt eine erfindungsgemäße E-Zigarette.
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–V zeigt Konfigurationen des erfindungsgemäßen Heizelements;
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–B zeigt eine Anordnung einer Plasmaoxidationskammer zur Herstellung des Heizelements von ; und
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zeigt die Spannung in Abhängigkeit von der Zeit bei der Herstellung des Heizelements in der Kammer von ;
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zeigt ein erfindungsgemäßes Heizelement;
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–B zeigt Ausführungsformen eines Leistungs-/Stromsteigerungskreises;
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zeigt den Widerstand eines elektrischen Heizelements in Abhängigkeit von der Temperatur für Titan und NiCr;
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eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen E-Zigarette;
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und eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen E-Zigarette.
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E-Zigarette 2 ( ) weist eine Akku-Baugruppe 4 und eine Zerstäuber-Baugruppe 6 auf. In der abgebildeten Ausführungsform ist die Zerstäuber-Baugruppe 6 wegwerfbar. Es ist einsichtig, dass die Erfindung auch auf anders konfigurierte Systeme angewendet werden kann und dass die abgebildeten Ausführungsformen nur Beispielcharakter haben. Details, wie u. a. die Verbindungen zwischen Bauteilen, die dem Fachmann von herkömmlichen E-Zigaretten bekannt sind, wurden aus der Abbildung weggelassen, um die Zeichnung weniger komplex zu machen.
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Die Akku-Baugruppe 4 weist Gehäuse 8, (LED-)Anzeige 10 mit Lufteintrittsöffnung 12, Luft-Durchflusssensor 14, Kreis 16 und Akku 18 auf. Sensor 14 wird über Luftpfad 20 mit Luft aus der Eintrittsöffnung 12 versorgt. Kreis 16 weist eine Elektronik-Platine auf, die mit den relevanten Bauteilen des Systems 2 verbunden ist. Bei Akku 18 kann es sich um einen wiederaufladbaren Akku handeln, einschließlich der benötigten Anschlüsse, um die Wiederaufladung zu ermöglichen. Akku-Baugruppe 4 weist Lufteintrittsöffnungen 22 und Stecker 24 für die Verbindung der Akku-Baugruppe mit der Zerstäuber-Baugruppe 6 auf.
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Zerstäuber-Baugruppe 6 weist Gehäuse 26 mit Luftpfad 28 auf, der umgeben ist von Zwischenspeicher 30, der das E-Liquid (beispielsweise ein Gemisch aus Glycerol, Propylenglycol, Nikotin) enthält. Als Zwischenspeichermaterial ist beispielsweise Dochtmaterial geeignet, wie z. B. Kieselerde, Watte, usw., oder der Zwischenspeicher 30 kann auch mittels anderer Zwischenspeichermedien realisiert werden. In der illustrierten Ausführungsform ist Heizelement 32 an dem Umfang oder um den Umfang von Luftpfad 28 angeordnet. In einer der bevorzugten Ausführungsformen weist Heizelement 32 einen Draht mit metallischem Titan-Kern 34 mit einer Keramik-Titanoxid-Schicht 36 um den Metallkern 34 herum auf. Das E-Liquid wird in der porösen Keramikschicht absorbiert und/oder adsorbiert. Draht 32 wird erhitzt, indem man einen elektrischen Strom durch den metallischen Titankern 34 fließen lässt. Draht 32 wird erhitzt und das E-Liquid wird verdampft und/oder zerstäubt. Das Gemisch wird zu Austrittsöffnung 38 von Luftpfad 28 bei Mundstück 40 geleitet.
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Heizer 32 bewirkt ein verbesserte Temperaturregelung und die Fähigkeit zur Beherrschung der Menge des zeitabhängig verdampfenden E-Liquids, indem die Eigenschaften der porösen Keramikschicht 36, wie z. B. Dicke, Porengröße und Porosität, variiert werden.
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Bei der Inhalation entsteht bei Austrittsöffnung 38 ein Unterdruck in den Luftpfaden 20, 28. Die Luft wird durch die Eintrittsöffnungen 12, 22 eingesaugt. Sensor 14 erfasst einen Luftstrom und Platine 16 sendet ein Anzeigesignal an Anzeige 10. Akku 18 versorgt Heizer 32 mit Elektrizität, die das aus Zwischenspeicher 30 bereitgestellte E-Liquid erhitzt, und verdampft und/oder zerstäubt das Liquid so, dass ein Benutzer die darin enthaltenen erwünschten Bestandteile inhalieren kann.
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In der illustrierten Ausführungsform ist die Längsachse von Heizer 28 im Wesentlichen parallel zu Luftpfad 28 angeordnet. Es ist einsichtig, dass auch andere erfindungsgemäße Konfigurationen möglich sind.
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Optional wird Heizer 28 von Zwischenspeicher 30 umgeben. Die Oberfläche von Zwischenspeicher 30 wird vorzugsweise mit (kleinen) Öffnungen ausgeführt, die aus dem Zwischenspeicher mit E-Liquid gefüllt werden. Durch die Kapillarwirkung wird die Flüssigkeit aus den Öffnungen an Heizelement 30 befördert. Die Öffnungen sind vorzugsweise in einer metallischen rohrähnlichen Oberfläche von Zwischenspeicher 30 angebracht, um ein Verbrennen zu verhindern.
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Es werden verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Heizelements illustriert. Heizer 42 ( ) weist ein Widerstandsheizmaterial 44a als Leiter und eine poröse Keramikschicht 44b auf. Heizer 46 ( ) ist gewickelt als Spule 48 ( ), ähnlich wie bei dem in dargestellten Heizer 28. In einer alternativen Konfiguration ist Heizer 50 beispielsweise als Ringkern konfiguriert ( ), oder als Flachspule 51 ( ), oder als Flachspirale 52 ( ).
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In der dargestellten Ausführungsform von System 2 befindet sich Zwischenspeicher 30 um den Luftpfad 28 und Heizer 32 herum (siehe auch ). In einer alternativen Ausführungsform befindet sich der Liquid-Vorratsbehälter 54 im Inneren der Spule von Heizer 56 ( ).
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Zu den weiteren alternativen Konfigurationen gehören, dass Heizer 58 ( ) als Ringkemstruktur mit dem Liquid innerhalb der Ringkernstruktur und Luftstrom um die Ringkemstruktur herum gewickelt ist, und Heizer 60 ( ) als Flachspule. Außerdem kann Heizer 62 ( ) eine Schicht mit einem Pfad von Widerstandsheizmaterial 64 als Leiter auf einer beschichteten porösen Keramikschicht 66 aufweisen, oder alternativ kann Heizer 68 eine Leiterschicht 70 mit darauf angebrachten beschichteten porösen Keramikelementen oder -Flecken aufweisen ( ). Alternativ weist Heizer 74 eine Leiterschicht 76 und Keramikschicht 78 ( ) auf, sowie optional weitere zusätzliche Keramik-Flecken 80 ( ). Eine weitere Ausführungsform weist eine poröse Keramikschicht 82 mit dem in einer Spiral-Konfiguration aufgewickelten Leiter 84 auf ( ).
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Weitere Ausführungsformen erstrecken sich auf ein Leiterrohr 86 mit einer statischen Mischform 86a, beschichtet mit Keramikschicht 88 ( und ). Als weitere Alternative ist Leiter 90 ein Rohr ( ) mit einer Keramikschicht 92. Rohr 90a kann an der Innenseite mit Flüssigkeit gefüllt sein und einen Luftstrom an der Außenseite haben ( ) oder Rohr 90b hat einen Luftstrom an der Innenseite und einen Flüssigkeitszwischenspeicher an der Außenseite ( ). Optional befindet sich eine Keramikschicht an der Innenseite und der Außenseite von Rohr 90. Außerdem kann Rohr 90 eine Reihe kleinerer Rohre oder Drähte 94 mit Widerstandsheizmaterial und Keramikmaterial ( ) aufweisen. Eine weitere alternative Konfiguration ( ) weist einen metallischen Schaum oder Schwamm 96 aus Widerstandsheizmaterial auf, der mit porösem Keramikmaterial 98 beschichtet ist.
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Die offengelegten Ausführungsformen für Heizer 32 zeigen Beispiele für erfindungsgemäße Heizer, die auf Systeme 2 angewendet werden können.
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Die erfindungsgemäßen Heizelemente werden vorzugsweise mittels plasmaelektrolytischer Oxidation hergestellt. Beispielhaft, lediglich zu illustrativen Zwecken, werden nachstehend einige Herstellungsverfahren für einige der möglichen Konfigurationen für das erfindungsgemäße Heizelement offengelegt.
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In einer ersten Ausführungsform des Heizelements wird eine plasmaelektrolytische Oxidation von Titandraht, der direkt mit einer Anode verbunden ist, ausgeführt.
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Für die plasmaelektrolytische Oxidation wird eine Plasmaoxidationskammer 102 ( ) benutzt. Werkstück 104 ist mit der Anode 106 verbunden. Werkstück 104 wird zwischen zwei Schrauben oder Klemmen 108 eingeklemmt/fixiert, die mit der Masse/Erde (Anode 104) einer Stromquelle verbunden sind. In der dargestellten Ausführungsform weist Kathode 110 eine Waben-Elektrode aus nichtrostendem Edelstahl 112 auf, die im Betrieb in kleiner Entfernung über Werkstück 104 angeordnet ist. Elektrolyt 114 fließt zwischen Elektrode 112 und Anode 106, und fließt effektiv aufwärts durch die Waben-Elektrode 112, zusammen mit dem erzeugten Sauerstoff und Wasserstoff. Der Elektrolytabfluss 116 wird dann gemeinsam mit dem Wasserstoff und dem Sauerstoff gekühlt und optional in Kammer 102 zurückgeführt. In der dargestellten Ausführungsform steigt die Temperatur des Elektrolyten 114 von ungefähr 11°C beim Eintreten in die Plasmaoxidationskammer 102 auf 25°C beim Austritt aus Kammer 102, woraufhin er mit Hilfe eines Wärmeaustauschers (nicht gezeigt) abgekühlt wird.
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In der illustrierten Kammer 102 sind zwei Stromquellen (Munk PSP-Familie) in Serie geschaltet: eine von 350 Volt und 40 Ampere und eine zweite von 400 Volt und 7 Ampere, was zu einem Maximum von 750 Volt und 7 Ampere mit einer daraus folgenden Höchstleistung von 5,25 kW führt. Die Stromquellen können direkt an Anode 106 und Kathode 110 angeschlossen werden, was zum Gleichstrombetrieb (GS) des Plasmas führt. Ein optional aufgenommener Schaltkreis bietet die Möglichkeit, das Plasma mit GS-Impulsen zu betreiben. Die Frequenz der Impulse kann zwischen GS und 1 kHz eingestellt werden, und es können verschiedene Wellenformen gewählt werden (Rechteck, Sinus oder Dreieck). Die Plasmaoxidation wird vorzugsweise ausgeführt in einem Impulsstrombetrieb mit einer Frequenz (Ein-Aus) von ungefähr 1000 Hz, wobei vorzugsweise der Strom auf einen festen Wert eingestellt ist und die Spannung infolge des Wachsens der porösen Oxidschicht zeitabhängig zunimmt. Es kann ein Strom von 1 bis 7 Ampere zur Erzeugung einer Keramikschicht verwendet werden.
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Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Heizelements wird in Kammer 102 Titandraht 202 ( ) als Werkstück 104 oben auf eine Titanplatte 204 angeordnet, die mit der Anode aus rostfreiem Edelstahl verbunden ist. Optional wird die Anode direkt an Draht 202 angeschlossen. Der Elektrolyt enthält 8 g/l NaSiO3·5H2O und 15 g/l (NaPO3)6. Es wird aus Titan Grad 1 hergestellter Titandraht verwendet, mit einem Durchmesser von 0,5 mm und einer Länge von 60 cm. Der Draht ist gewickelt und mit der Anode verbunden. Zwischen der Anode und der Kathode wird ein Potenzial > 500 Volt angelegt, was zu Mikro-Bogenentladungen an der Oberfläche des Titandrahts führt. An der Oberfläche des Drahts wird das metallische Titan zu Titanoxid oxidiert, wobei aus dem Elektrolyten Silikate und Phosphate addiert werden. Die Metallschicht wird umgewandelt in eine poröse Keramikschicht, die Titanoxide, Phosphate und Silikate enthält. Dies führt zu einem erfindungsgemäßen Heizelement 302 ( ).
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Stromsteigerungskreis 402 ( ) enthält Akku 404, Trafo 406, Heizelement 408 und (Super-)Kondensator 410. Zu den weiteren Bauteilen in Kreis 402 gehören Diode 412, Widerstand 414, Schalter 416, der auf Inhalation reagiert, Transistor 418. Es ist einsichtig, dass die Bauteile in Kreis 402 durch andere Bauteile ersetzt werden können und/oder zusätzliche Bauteile angewendet werden können. Beispielsweise weist der alternative Kreis 420 ( ) Akku 422, Heizelement 424, Kondensator 426, Schalter 428, Widerstand 430 und Diode 432.
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Bei Beginn der Inhalation gibt Kondensator 410, 426 zusätzlichen Strom an das Heizelement 408, 424 ab, um den Temperaturanstieg von Heizelement 408, 424 zu beschleunigen und fast sofort mit der Zerstäubung und/oder Verdampfung zu beginnen. Vorzugsweise ist das Heizelement aus einem Titanmaterial, das einen relativ niedrigen Widerstand bei Raumtemperatur und einen höheren Widerstand bei einer höheren Temperatur aufweist, wodurch eine kurze Reaktionszeit auf das Aktivierungssignal ermöglicht wird.
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In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform ist der Leiter des Heizelements aus NiCr und vorzugsweise aus Titan hergestellt. Der Widerstand von Titan ( ) steigt im Vergleich zu NiCr temperaturabhängig schneller an. Dies wird illustriert von der linearen Beziehung für NiCr (y = 0,0011x + 2,164) im Vergleich zu der linearen Beziehung für Titan (y = 0,0104x + 1,5567), die die lineare Beziehung der gemessenen Widerstände bei spezifischen Temperaturen definiert.
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In einer weiteren Ausführungsform der E-Zigarette 502 ( ) wird Heizer 32 über Stecker 504 von Super-Kondensator 506 mit Energie gespeist. Kondensator 506 wird über den externen Stecker 508 aufgeladen. Kondensator 506 kann (halb-)direkt und/oder indirekt aufgeladen werden. Eine solche indirekte Aufladung kann ausgeführt werden in Kombination mit Zigarettenschachtel 510, die ein Zigaretten-Fach 512 und ein Akku-Fach 514 mit Akku 516 aufweist. In einem Aufladungszustand hat der Ladestecker 518 Kontakt mit dem Stecker 508 und der Super-Kondensator 506 wird aufgeladen. In der dargestellten Ausführungsform ist Akku 516 nachladbar über Stecker 520.
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In den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems weist die E-Zigarette zwei Hauptteile auf, einen ersten Teil mit einem Akku mit einem Luftfluss-Sensor und einer elektronischen Regelvorrichtung für den ordnungsgemäßen Betrieb einer E-Zigarette, und einen zweiten Teil mit einer Patrone, die das E-Liquid aufnehmen kann, einem Heizelement und Teilen zur Beförderung von E-Liquid auf das Heizelement. Patrone 602 ( – ) weist Metallrohr 604 auf, das in den dargestellten Ausführungsformen aus nichtrostendem Edelstahl ist, mit acht Löchern 606 von ungefähr 0,25 mm Durchmesser, die ungefähr 2,75 mm vom Anfang A des Rohrs, der im Gebrauch dem Mundstück der E-Zigarette am nächsten ist, angeordnet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist Rohr 604 ungefähr 29,1 mm lang, mit einem Außendurchmesser von ungefähr 4 mm und einer Wanddicke von ungefähr 0,3 mm. Keramikrohr 608, vorzugsweise aus Zirkoniumoxid, befindet sich innen im Metallrohr 604 in einer Position in ungefähr 2,5 mm Entfernung von den Öffnungen, mit einer Länge von ungefähr 22 mm, einem Außendurchmesser von ungefähr 3,4 mm und einer Wanddicke von ungefähr 0,35 mm.
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Das keramikbeschichtete Titan-Heizelement ist im Metallrohr 604 mit Löchern 606 angeordnet. Heizelement 610 ist vorzugsweise hergestellt aus Titandraht (Grad 1), der mit einer Keramikschicht beschichtet und als Spule aufgewickelt ist. Der Durchmesser des Titandrahts mit der Keramikschicht beträgt ungefähr 0,25 mm, die Gesamtlänge des im Heizelement verwendeten Drahts beträgt ungefähr 90 mm, wobei er ungefähr zehn eng zusammenliegende Wicklungen 612 mit einem Durchmesser von ungefähr 2,2 mm und eine Gesamtlänge des Heizelements 610 von ungefähr 1,4 mm aufweist. Heizelement 610 ist in solcher Weise im Innern von Metallrohr 604 angeordnet, dass die ersten Wicklungen in Keramikrohr 608 positioniert sind, wodurch ein Kontakt von Heizelement 610 mit dem Metallrohr 604 vermieden wird.
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Metallrohr 604 mit Löchern 606 wird in eine Schraubkappe mit Stecker(n) (nicht gezeigt) und elektrischem Isolator 618 an Seite A gedrückt, und in ein Endkappe (nicht gezeigt) an der anderen Seite. Metallgehäuse 614, vorzugsweise ein Rohr aus nichtrostendem Edelstahl, erstreckt sich von der Schraubkappe bis zur Endkappe, wobei das Rohr eine Länge von ungefähr 3,8 mm, einen Durchmesser von ungefähr 9,2 mm und eine Wanddicke von ungefähr 0,2 mm aufweist. Platz, Raum oder Fach 616 zwischen dem äußeren Metallrohr 614 und dem inneren Metallrohr 604 mit Löchern 606 kann mit E-Liquid gefüllt werden. Das E-Liquid enthält beispielsweise ungefähr 60% pflanzliches Glycerin, ungefähr 30% Propylenglycol und ungefähr 10%, welche Nikotin, Aromastoffe und Wasser enthalten. Das Verhältnis zwischen Nikotin, Aromastoffen und Wasser kann der gewünschten Menge entsprechend angepasst werden.
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Die Schraubkappe von Patrone 602 ist verbunden mit dem Akku der elektronischen Zigarette, wodurch die positiven und negativen Pole des Akkus mit dem positiven und negativen Stecker von Heizelement 610 verbunden werden. Dadurch kann ein elektrischer Strom durch den Titandraht vom positiven Pol zum negativen Pol fließen, um Temperatur des Titandrahts durch Joulesche Erwärmung zu erhöhen. Der elektrische Strom wird von dem Durchflussschalter geregelt, der vom Benutzer aktiviert wird. Im Betrieb fließt Luft durch Metallrohr 604 mit Löchern 606 und wird E-Liquid zum Heizelement 610 befördert. Durch Erhöhung der Temperatur von Heizelement 610 verdampft E-Liquid in den Luftstrom und das verdampfte E-Liquid wird zum Benutzer befördert.
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In einer alternativen Ausführungsform weist Patrone 620 ( ) ähnliche Bauteile auf, mit der Ausnahme, dass die Löcher 606 sich in Nut 622 befinden.
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Es ist einsichtig, dass die Bauteile der Patronen 602, 620 sich in weiteren Ausführungsformen kombinieren lassen. Die Patronen 602, 620 und alternative Ausführungsformen können in elektronischen Zigaretten 2, 502 und anderen Ausführungsformen derselben eingesetzt werden.
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Es wurden drei Versuche durchgeführt: 1) 0,5 Ampere während 15 Minuten, 2) 1 Ampere während 15 Minuten und 3) 2 Ampere während 15 Minuten. Masse und Durchmesser des Drahts wurden vor und nach der plasmaelektrolytischen Oxidation gemessen. Der Draht wurde 5 Minuten lang in Wasser gelegt, woraufhin als Indikator für die auf dem Draht adsorbierte Wassermenge die Masse gemessen wurde.
zeigt die Spannung in Abhängigkeit von der Zeit für die drei verschiedenen Stromeinstellungen, und Tabelle 1 zeigt einige weitere Materialinformationen vor und nach der Oxidation. Tabelle 1: Materialinformation
| | Gewicht [mg] | |
| 1 | 2 | 3 |
| Vor PEO [mg] | | 525,49 | 529,82 |
| Nach PEO [mg] | 528,37 | 539,42 | 548,71 |
| Nach der Erwärmung [mg] | 528,09 | 539,23 | 547,67 |
| Nach 5 Min. in Wasser [mg] | 675,7 | 692,23 | 705,42 |
| Dicke [μm] | 36 | 71 | 113 |
| Volumen Perlen [ml] | 0,15 | 0,15 | 0,16 |
| Volumen Oxidschicht [ml] | 0,45 | 0,51 | 0,59 |
| Porosität [%] | 32,71 | 29,87 | 26,73 |
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Es wurden Keramikdrähte unter verschiedenen Prozessbedingungen hergestellt, u. a. mit 5 Ampere (Draht 1) und 1 Ampere (Draht 2) mit einer Verarbeitungszeit von einer Stunde. Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2: Dicke der Keramikschicht, Porosität und Adsorption von zwei Keramik-Titan-Drähten
| | Zeit + Strom | Keramik-Dicke | Porosität | Adsorption | Widerstand |
| Draht 1 | 1 Std. bei 5 A | 55 μm | 45% | 21 μl | 1,4 Ω |
| Draht 2 | 1 Std. bei 1 A | 30 μm | 50% | 13 μl | 1.3 Ω |
Draht 1: Vor der plasmaelektrolytischen Oxidation (PEO)
L = 0,5 m, D = 0,500 mm, R = 1,2 Ω, R
berechnet = 2,44 Ω/m, Adsorption (Wasser) = 4 μl
Draht 1: Nach PEO (5 A während 60 Minuten)
L = 0,5 m, D = 0,610 mm, R = 1,3–1,4 Ω, Adsorption (Wasser) = 21 μl, Porosität = 44%
Draht 2: Vor PEO:
L = 0,5 m, D = 0,500 mm, V = 9,8 e-8 m
3, m = 4,2992 e-4 kg, ρ = 4379 kg/m
3 Draht 2: Nach PEO (1 A während 60 Minuten)
L = 0,5 m, D = 0,5610 mm, V = 1,236 e-8 m
3, m = 4,512 e-4 kg, ρ = 3650 kg/m
3, 2,13 e-5 kg, V
Oxidschicht = 2,56 e-8 m
3, M
Schätzung ohne Porosität = 4,452 e-5 kg, Porosität = 50%, Berechnete Adsorption = 12,8 μl
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Es ist einsichtig, dass für andere Drähte andere Bedingungen gelten würden. Beispielsweise für einen Draht mit einem Durchmesser von 0,1 mm Rberechnet = 61 Ω/m. Ein solcher Draht mit einer Länge von 6,5 cm wird dann einen Widerstand von 4 Ω haben. Mit einer Oxiddicke von 100 μm wird eine Menge von 1,3 μl adsorbiert. 150 μm ergeben 3,1 μl und 200 μm ergeben 5,4 μl.
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Die Versuche illustrieren die Herstellungsmöglichkeiten des Heizelements für das System gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Es wurden weitere Versuche durchgeführt, um andere Konfigurationen für den Heizer hervorzubringen. In einem solchen weiteren Versuch wurde ein Metallfolie, vorzugsweise eine Aluminiumfolie, als Ausgangsmaterial verwendet, auf das eine poröse Metall-(Aluminium)Oxidschicht angebracht wurde, vorzugsweise in einer Plasmaelektrolysekammer, die bereits beschrieben wurde. Tabelle 3 zeigt Messwerte der plasmaelektrolytischen Oxidation mit konstantem Strom bei 5 Ampere während 9 Minuten. Aluminiumfolie mit einer Dicke von 13 μm wurde oxidiert, woraus sich eine Dicke von Aluminium-Oxid von 13 μm ergab; Tabelle 4 zeigt die Reproduzierbarkeit des Prozesses. Beide Tabellen zeigen Spannung, Strom, Temperatur des Elektrolyten beim Eintritt in die Plasmaoxidationskammer (Tein) und beim Austritt aus der Plasmaoxidationskammer (Taus) für einen konstanten Strom von 5 A. Tabelle 3
| | Spannung | | Tein | Taus |
| t [min.] | | Strom [A] | ] | ] |
| 0.167 | 434 | 5 | | |
| 0.5 | 447 | 5 | | |
| 1 | 461 | 5 | | |
| 2 | 476 | 5 | 10.1 | 18.8 |
| 4 | 487 | 5 | 10.9 | 20.4 |
| 6 | 499 | 5 | 11.3 | 21.4 |
| 9 | 515 | 5 | | |
Tabelle 4
| | Spannung | | | Taus |
| t [min.] | [V] | Strom [A] | T[°C] | [°C] |
| 0,167 | 435 | 5 | | |
| 0,5 | 448 | 5 | | |
| 1 | 460 | 5 | | |
| 2 | 474 | 5 | 11,3 | 19,7 |
| 4 | 488 | 5 | | |
| 6 | 495 | 5 | | |
| 8 | 505 | 5 | | |
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Tabelle 5 zeigt die Spannung und den Strom für die plasmaelektrolytische Oxidation von Aluminiumfolie bei einem konstanten Strom von 2 A. Das Ergebnis war eine 13 μm dicke Aluminiumoxidschicht. Tabelle 5: Spannung und Strom bei der plasmaelektrolytischen Oxidation mit einem konstanten Strom von 2 A.
| | Spannung | |
| t [min.] | [V] | Strom [A] |
| 1 | 380 | 2 |
| 2 | 415 | 2 |
| 3 | 429 | 2 |
| 4 | 437 | 2 |
| 5 | 443 | 2 |
| 6 | 448 | 2 |
| 7 | 452 | 2 |
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Tabelle 6 zeigt die Spannung und den Strom für die plasmaelektrolytische Oxidation von Aluminiumfolie mit Impulskonstantstrom von 1 kHz bei 5 Ampere. Tabelle 6: Spannung und Strom bei Impulskonstantstrom von 1 kHz.
| | Spannung | |
| T [min]. | [V] | Strom [A] |
| 0,167 | 470 | 5 |
| 0,5 | 485 | 5 |
| 1 | 491 | 5 |
| 2 | 502 | 5 |
| 4 | 514 | 5 |
| 6 | 523 | 5 |
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In einem weiteren Versuch wurde die plasmaelektrolytische Oxidation dazu benutzt, eine poröse, flexible und elastische Keramikschicht von > 70 μm auf Titanfolie anzubringen. Die plasmaelektrolytische Oxidation bringt eine Titanoxid-Schicht auf, die als keramisch bekannt ist (TiO
2). Der Elektrolyt wurde verwendet mit 8 g/l Na
2SiO
3·5H
2O (Natrium-Metasilikat-Pentahydrat) und 15 g/l (NaPO
3)
6 (Natrium-Hexametaphosphat). Der Elektrolyt wird in die Reaktionskammer gepumpt, um als Elektrolyt und als Kühlmittel zu dienen. Es wurde Titanfolie aus Titan Grad 2 mit einer Dicke von 124 μm verwendet. Während des Herstellungsprozesses nimmt die Spannung in Abhängigkeit von der Zeit zu. Diese Zunahme bedeutet einen erhöhten Widerstand und ist möglicherweise erklärbar durch das Wachstum der Titanoxid-(TiOx-)Schicht. Eine dickere TiOx-Schicht wirkt als Isolierschicht zwischen dem Metall und dem Elektrolyten. Die daraus hervorgehende zeitabhängige Spannungsentwicklung ist Tabelle 7 zu entnehmen. Tabelle 7: Spannung und Strom in Abhängigkeit von der Zeit zur Erzeugung einer Keramikschicht auf Titanfolie mittels plasmaelektrolytischer Oxidation
| Time [min.] | Spannung [V] | Strom [A] |
| 0,166667 | 435 | 6 |
| 0,5 | 510 | 6 |
| 1 | 540 | 6 |
| 2 | 551 | 6 |
| 3 | 553 | 6 |
| 4 | 554 | 6 |
| 5 | 556 | 6 |
| 6 | 556 | 6 |
| 7 | 557 | 6 |
| 10 | 557 | 6 |
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Die resultierende Folienstruktur kann mit Hilfe elektrochemischen Abtragens weiter verarbeitet werden. Beispielsweise können mit Hilfe der Auflösung von Titan Grad 2 perfekt rechtwinklig geformte Kanäle hergestellt werden. Mit Hilfe des elektrochemischen Abtragens (ECM) wird das Titan Grad 2 auf sehr beherrschte Weise punktuell aufgelöst, bis die Keramikschicht erreicht wird. Als Endergebnis müssen genau definierte Kanäle mit rechtwinkligen Kanten und ohne Rückstand an der Oberseite der Keramikschicht entstehen. Der ECM-Prozess wird verwendet mit einer Kathode mit der umgekehrten Form des Produkts, die auf der Oberseite einer als Anode dienenden Titanplatte angeordnet wird. Es wird ein Potenzial zwischen der Kathode und der Anode angelegt, wodurch die Anode sich auflöst.
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Die Elektrolytkonzentration beträgt 5 M NaNO3. Die Stromdichte kann variiert werden von 20–150 A/cm2. Die besten Ergebnisse wurden erzielt mit Stromdichten von > 60 A/cm2. Der Strom wird im Impulsbetrieb betrieben, wobei die Strom-Ein-/Ausschaltdauer variiert werden kann. Die besten Ergebnisse wurden erzielt mit einem Ein-/Aus-Verhältnis von 16–80 und Impuls (ein) 0,05 bis 10 ms und Impuls (aus) von 1 ms bis 160 ms. Dieser zusätzliche Verarbeitungsschritt kann auch für andere Konfigurationen für den Heizer angewendet werden.
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In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform ist das Heizelement aus einem Titandraht hergestellt, oder weniger vorzugsweise aus NiCr-Draht. zeigt den Widerstand eines elektrischen Heizelements in Abhängigkeit von der Temperatur für beide Materialien. Wie bereits erwähnt, ist die Verwendung von Titan für das Heizelement vorteilhaft.
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Die oben beschriebenen Versuche illustrieren die Möglichkeit zur Herstellung der verschiedenen Konfigurationen des Heizelements und zur Umsetzung einer solchen Konfiguration, beispielsweise in einer E-Zigarette.
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Die vorliegende Erfindung ist in keiner Weise beschränkt auf ihre oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen. Die nachgesuchten Schutzrechte werden definiert durch die folgenden Ansprüche, in deren Umfang zahlreiche Abänderungen vorstellbar sind.
