EP3426070B1 - Elektronisches zigarettenprodukt und kartusche für ein elektronisches zigarettenprodukt - Google Patents

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EP3426070B1
EP3426070B1 EP17708765.7A EP17708765A EP3426070B1 EP 3426070 B1 EP3426070 B1 EP 3426070B1 EP 17708765 A EP17708765 A EP 17708765A EP 3426070 B1 EP3426070 B1 EP 3426070B1
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EP
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liquid
cigarette product
electronic cigarette
atomizer
product according
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EP3426070A1 (de
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Jürgen Dick
Marc Kessler
Rene Schmidt
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Koerber Technologies GmbH
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Koerber Technologies GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to an electronic cigarette product according to the preamble of claim 1.
  • wick coil principle The majority of electronic cigarette products currently on the market are based on the so-called wick coil principle.
  • a wick for example made of fiberglass, is partially wrapped with a heating coil and is in contact with a liquid reservoir. When the heating coil is heated, the liquid in the wick evaporates in the area of the heating coil. Due to the capillary effect, the evaporated liquid is pumped out of the liquid storage.
  • Such an electronic cigarette is exemplary in the US 2016/0021930 A1 described.
  • US 2016/007653 A1 discloses an electronic cigarette product according to the preamble of claim 1.
  • US 2005/016550 A1 discloses an electronic cigarette product with an addition device based on a bubble jet process or a piezoelectric process.
  • US 20141060554 A1 discloses an electronic cigarette product with a microheater containing a patterned electrically conductive layer.
  • EP 0 845 220 A1 discloses an electronic cigarette product having an outlet head having a piezoelectric element and a ceramic heater.
  • the object of the invention is to provide a safe, high quality and certifiable electronic cigarette product and a cartridge in which the described disadvantages of the potential risk of overheating and the associated pollutant emissions are avoided.
  • the execution of at least essential parts of the addition device as a microsystem unit enables the complete decoupling of the liquid delivery or metering from its heating for the purpose of evaporation.
  • Liquid is conveyed or injected into a chamber inside the addition device using microdosing using a free jet atomizer based on the inkjet or bubble jet principle.
  • a precisely temperature-controlled heating element is provided at a distance and functionally separate from it as part of an evaporator.
  • the temperature of the heating element can be set or regulated completely independently of the volume flow of the liquid. With a fixed temperature, the amount of liquid delivered and thus the amount of vapor/aerosol can be adjusted as desired.
  • precise temperature control/regulation of the evaporator heating element overheating and the resulting pollutants, such as acrylic compounds, can be completely avoided.
  • microsystem technology used according to the invention enables the micrometer-precise and precisely reproducible production of different electromechanical functional groups, including sensors and actuators, on a silicon substrate in a uniform manufacturing process. In this way, according to the invention, the product quality required for mass production and certifiability can be ensured.
  • the atomizer and also the evaporator of the addition device are designed as a microsystem unit.
  • the liquid tank and the addition device are arranged in a replaceable cartridge.
  • the liquid tank is emptied, the entire cigarette product does not have to be used be disposed of, but only the empty cartridge needs to be replaced with a filled one.
  • the addition device as part of the cartridge has the considerable advantage that a defined interface is created, which enables a leak-free replacement of the cartridge without complex sealing measures, since the microstructure of the microsystem technical unit can be sealed more easily or is even self-sealing due to the surface tension.
  • the cartridge can advantageously comprise a data or information memory for storing information and/or parameters relating to the cartridge.
  • the ratio of the largest extent of the microsystem technology unit to the average diameter of the essentially rod-shaped housing in the area of the addition device is less than 0.5 and more preferably less than 0.4 and even more preferably less than 0.3 and particularly advantageously less than 0 ,2.
  • a compact design of the microsystem technology unit increases flexibility with regard to possible arrangements of the microsystem technology unit in the cigarette product or in the cartridge.
  • the atomizer is a free-jet atomizer with a thermal or piezo actuator and a downstream nozzle.
  • the atomizer can have an electrical preheating element and a preheating chamber for preheating the liquid entering the adding device from the liquid tank. It can also be beneficial be when a metallic part of the atomizer that contacts the liquid is connected to a direct electrical voltage in order to cause ionization of the atomized liquid.
  • the heating output of the evaporator heating element can be controlled and/or regulated to a defined target temperature.
  • the evaporator can comprise a piezo element coupled to the electrical heating element. The heating element vibrating due to the piezo excitation can lead to an improvement in the evaporation effect and/or the achievement of self-cleaning effects, ie prevention of burning or adhesions.
  • different liquids from a plurality of liquid tanks can be atomized with a plurality of atomizers, with the atomizers preferably being assigned a corresponding plurality of evaporators and heating elements.
  • an active ingredient can be specifically dosed into a base liquid.
  • the heating output of the heating elements can be controlled and/or regulated individually to defined target temperatures, since this enables an adaptation and optimal selection of the respective heating temperature for each liquid.
  • the liquid tank is particularly advantageous as a flexible bag. This ensures using simple means that the liquid tank can be completely emptied in any position and without leaks.
  • At least one liquid storage device is provided in the form of a liquid-on-chip device.
  • This technology which is also based on microsystem technology, makes it possible to store small amounts of liquid directly on a chip, comparable to a drop that is enclosed in a kind of blister and can be released through targeted activation.
  • a free-jet atomizer could be provided for atomizing a base liquid and the actual addition of flavors and/or active ingredients could take place via a liquid-on-chip device.
  • a plurality of atomizers can be arranged in the addition device, particularly in matrix or array form.
  • the plurality of atomizers can have a corresponding plurality of evaporators, for example also in matrix form.
  • a plurality of addition devices or microsystem technology units can be arranged in the cigarette product.
  • the electronic cigarette product 10 comprises a substantially rod-shaped or cylindrical housing 11, which in cross section can be round, oval, elliptical, square, rectangular, polygonal or otherwise shaped.
  • An air duct 30 is provided in the housing 11 between at least one air inlet opening 31 and the mouth end 32 of the cigarette product 10.
  • the mouth end 32 of the cigarette product 10 refers to the end at which the consumer draws for inhalation and thereby applies a negative pressure to the cigarette product 10 and creates an air flow 34 in the air duct 30.
  • At least one air inlet opening 31 can be arranged on the shell side of the housing 11. Additionally or alternatively, at least one air inlet opening 31A may be arranged at the distal end 33 of the cigarette product 10.
  • the distant end 33 of the cigarette product 10 denotes the end of the cigarette product 10 opposite the mouth end 32.
  • the air supply through the air inlet opening(s) 31, 31A can be adjustable, in particular by changing the flow resistance, for example by means of adjustable air slots or a rotatable ring with a regulating opening. Furthermore, a (fine) filter can be provided on the air inlet opening(s) 31, 31A to clean the sucked in air.
  • An ionization device for ionizing the sucked in air is also possible, which can result in better droplet absorption and better biological compatibility. Finally, a device for preheating or pretempering the sucked in air is conceivable.
  • the cigarette product 10 is preferably designed so that the draw resistance at the mouth end 32 is preferably in the range between 50 and 130 mm of water column, more preferably between 80 and 120 mm of water column, even more preferably between 90 and 110 mm of water column and optimally between 95 and 105 mm water column.
  • Draw resistance refers to the pressure required to draw air through the full length of the cigarette product 10 at a rate of 17.5 ml/s at 22°C and 101 kPa (760 Torr), in accordance with ISO 6565:2011 is measured.
  • the cigarette product 10 comprises a first (axial) section 13, advantageously at the remote end 33 of the cigarette product 10, in which an electronic energy supply unit 12 with an electrical energy storage 14 and an electrical/electronic unit 15 is arranged.
  • the energy storage 14 advantageously extends in the axial direction of the cigarette product 10.
  • the electrical/electronic unit 15 is advantageously arranged laterally next to the energy storage 14.
  • the energy storage 14 can be a disposable electrochemical battery, a rechargeable electrochemical battery, e.g. a Li-ion battery, or a fuel cell.
  • the cigarette product 10 further comprises a second (axial) section 16, advantageously at the mouth end 32 of the cigarette product 10, in which a consumption unit 17 with a liquid tank 18, an electrical unit 19 and an addition device 20 is arranged.
  • the liquid tank 18 advantageously extends in the axial direction of the cigarette product 10.
  • a uniform electrical/electronic unit can also be provided, which can be arranged either in the energy supply unit 12 or in the consumption unit 17.
  • the entirety of the electrical/electronic units of the cigarette product 10 is referred to below as the control arrangement 29.
  • a sensor for example a pressure sensor or a pressure switch, is advantageously arranged in the housing 11, the control arrangement being able to determine an operating state of the cigarette product 10 on the basis of a sensor signal output by the sensor, in which a consumer takes a puff on the mouth end 32 of the cigarette product 10, to inhale.
  • the control arrangement 29 controls the addition device 20 in order to add liquid 50 from the liquid tank 18 as an addition 40 in the form of small drops of liquid as a mist/aerosol and/or in gaseous form as vapor into the air stream 34.
  • the liquid to be dosed stored in the liquid tank 18 is, for example, a mixture of 1,2-propylene glycol, glycerin and water, to which one or more flavors and / or active ingredients, such as nicotine, can be mixed.
  • the section 16 containing the liquid tank 18 or the consumption unit 17 is advantageously designed as a cartridge 21 that can be replaced by the consumer, i.e. as a disposable part.
  • the rest of the cigarette product 10, in particular the section 13 containing the energy storage 14, is advantageously designed as a base part 56 that can be reused by the consumer, i.e. as a reusable part.
  • the cartridge 21 can be connected to the base part 56 by the consumer and can be detached from the base part 56. A separating surface or interface 57 is thus formed between the cartridge 21 and the reusable base part 56.
  • the cartridge housing 58 may form part of the housing 11 of the cigarette product 10.
  • the consumption unit 17 is designed as a cartridge 21, which is inserted into the reusable base part 56 of the cigarette product 10 by the consumer can be used and removed from it.
  • the cartridge housing 58 is a separate housing from the housing 11 of the cigarette product 10.
  • the cartridge 21 includes at least the liquid tank 18 and the addition device 20.
  • the cartridge 21 can, as in Fig. 2 shown, which include the electrical/electronic unit 19.
  • the electrical/electronic unit 19 is wholly or partially an integral part of the base part 56.
  • the cartridge 21 can also be used in other products, for example in an electronic pipe.
  • the energy storage 14 is usually not part of the cartridge 21, but rather part of the reusable base part 56.
  • the liquid tank 18 is preferably closed in a liquid-tight manner and retains this property under all ambient conditions that occur, i.e. over a wide temperature and ambient pressure range.
  • the entry of ambient air into the liquid tank 18 is thus avoided, so that only liquid is removed from the liquid tank 18.
  • the liquid tank 18 should be able to be emptied as completely as possible, regardless of the position.
  • the liquid tank 18 is preferably filled in a certified manner and is designed to be non-refillable in order to reliably prevent misuse and manipulation.
  • the liquid tank 18 can have an advantageous viscosity-dependent capillary structure to implement the aforementioned requirements and/or can be set up to generate micro-fluidics.
  • the liquid tank 18 is a flexible bag. This ensures that the liquid tank 18 can be completely emptied in any position and without leakage using simple means.
  • the liquid tank 18 may comprise a container, a holder or a structural component into which the above-mentioned capillary structure and/or the bag is inserted.
  • a typical tank volume of the liquid tank 18 is in the range between 0.5 ml and 2 ml.
  • the cigarette product 10 can advantageously include a fill level control for the liquid tank 18, which can be linked to the number of puffs, for example.
  • the liquid tank 18 is preferably made of an inert and/or food-compatible or pharmaceutical-grade material, in particular a plastic, whereby the material can be optically transparent or opaque.
  • the liquid tank 18 can be mechanically coupled to the addition device 20 or decoupled from it.
  • the addition device 20 advantageously serves as a cover or leakage protection for the liquid tank 18.
  • a decoupling in particular a liquid line, ie a capillary connection, is provided between the liquid tank 18 and the addition device 20. If the liquid tank 18 is designed to be separable from the addition device 20, this must be possible without leaks, that is, the liquid tank 18 has a closing mechanism which, as a result of the separation of the liquid tank 18 automatically closes a discharge opening of the liquid tank 18 in a liquid-tight manner by the addition device 20, for example by means of a spring-loaded ball, a check valve or the like.
  • the ratio of the largest extent a of the microsystem technology unit 45 (see Fig. 3 ) to the average diameter D of the essentially rod-shaped housing 11 in the area of the addition device 20 (see Fig. 12 ) is advantageously smaller than 0.5.
  • the addition device 20 comprises an atomizer component 22 with an atomizer 48 and an evaporator component 23 with an evaporator 49, which are arranged in relation to a chamber 24 inside the addition device 20.
  • the atomizer 48 is a free-jet atomizer based on the inkjet or bubble jet principle, with an actuator 25 arranged in a liquid channel 27 and a nozzle 26 arranged subsequently, which opens into the chamber 24.
  • the actuator 25, which is electrically controlled with a suitable control frequency, typically in the kHz range, can be a piezoelectric element or a heating element.
  • the control arrangement 29 controls the actuator 25, whereby the fluid channel 27 located in the liquid channel 27 is triggered by sudden heating (in the case of a heating element) or by vibration (in the case of a piezo element). Liquid in the form of small droplets is thrown from the nozzle 26 into the chamber 24.
  • the atomizer 48 in the design as a free-jet atomizer according to the inkjet or bubble jet principle, simultaneously serves to convey the liquid 50 from the liquid tank 18 through the liquid channel 27 and to meter the liquid into the chamber 24.
  • the atomizer 48 can therefore also be used as a Free jet dosers are called.
  • micropumps and valves, a conveyance with integrated liquid (pre-)temperature control, which will be illustrated further below, and/or pressure difference-driven, either from the air flow 30 itself or by means of, can also be used to convey and/or meter the liquid Pre-pressure on or in the liquid tank 18.
  • the atomizer/doser 48 is set so that an advantageous amount of liquid in the range between 1 ⁇ l to 10 ⁇ l, typically 4 ⁇ l per puff from the consumer, is metered in.
  • the atomizer/doser 48 is designed so that a (dosing) reserve is available.
  • the atomizer/doser 48 can be adjustable in terms of the amount of liquid per puff.
  • liquid 50 from the liquid tank 18 to the atomizer 48 can be used, for example in the form of at least one pump, for example a membrane pump, a peristaltic pump, a positive displacement pump, for example with a spindle drive, a gear pump.
  • the negative pressure could be in the from Consumer-generated air flow 30 can be used to convey the liquid 50, for example via a connecting pipe.
  • the control arrangement 29 can advantageously be set up to set different consumption profiles.
  • the steam dosage rate can advantageously be adjustable for the consumer in certain ranges. For example, three steam power levels with a lot, medium and little steam could be selectable, corresponding to, for example, 400, 500 and 600 puffs per 2 ml cartridge 21. This can be achieved, for example, via the frequency of the control of the atomizer 48.
  • the dimensioning of the heating element 36 In such embodiments, it is designed for the highest selectable steam output.
  • a uniform storage/atomizer unit in the form of a so-called liquid-on-chip system can be used. These are a large number of individual liquid reservoirs that are arranged integrated on a circuit board and can be individually electrically controlled or "fired” in order to release the liquid stored therein. Typical blister sizes are in the range between 150 ⁇ l and 5 ml.
  • a liquid-on-chip system can also be provided for dosing active ingredient in parallel to a liquid tank for adding base liquid.
  • metallic parts of the atomizer 22 that contact the liquid for example the heating element 25 and/or the nozzle 26, can be connected to a direct electrical voltage in order to cause ionization of the atomized liquid.
  • This allows for finer drops, a better spatial distribution of the atomized liquid and/or an attractive force of the drops in the direction of a heating element 36 of the evaporator 23 (see below) can be advantageously achieved. This can be particularly advantageous for pharmaceutical applications.
  • the evaporator 49 has a heating element 36, which is controlled by the control arrangement 29 when an air flow 34 caused by the consumer is detected through the air duct 30 in order to be heated by means of electricity from the energy source and to evaporate the droplets emerging from the nozzle 26 , i.e. to put it into the gaseous or vaporous state.
  • the heating element 36 is preferably arranged opposite the nozzle 26.
  • the electrical heating element 36 can in particular be designed as a heating plate with a flat or structured surface.
  • the size and surface quality or structure of the heating element 36 is preferably adapted to the viscosity and surface tension or wettability of the liquid. A polar coating is also possible.
  • the heating element 36 is controlled by the control arrangement 29, in particular the electrical/electronic unit 19, so that it has a substantially constant evaporation temperature, preferably in the range between 100 ° C and 400 ° C. This can advantageously be done by regulating the heating output.
  • a power reserve is provided for the heating element 36.
  • the evaporation power is preferably in the range between 1 W to 20 W, more preferably in the range between 2 W and 10 W.
  • the heating elements 36, 36A are preferably controlled separately in order to ensure an optimal evaporation temperature for each component.
  • a staggered evaporation of different liquids 50, 50A is also conceivable, with the droplets being shot alternately or alternately from the different nozzles onto the heating elements 36, 36A. This can lead to more even evaporation.
  • the atomizer/evaporator combination can advantageously be set in such a way that predominantly liquid particles in the range between 0.25 ⁇ m to 10 ⁇ m are created, for which optimal active ingredient absorption or lung penetration is ensured.
  • the chamber 24 serves in particular to evaporate the droplets emerging from the nozzle 26, the chamber 24 can also be referred to as an evaporator chamber.
  • the chamber 24 is advantageously elongated in cross section, such as in Fig. 3 shown, wherein the nozzle 26 and the heating element 36 are advantageously arranged on opposite longitudinal sides.
  • An outlet bore 37 is provided, preferably perpendicularly or laterally to the exit direction of the liquid jet from the nozzle 26, through which the vapor generated by the evaporator 49 exits the evaporator chamber 24, where it is accompanied by the air stream 34, which preferably runs perpendicular to the bore 37 is recorded.
  • the heating element 36 can be equipped with a piezo element.
  • the heating element 36 vibrating due to the piezo excitation can lead to an improvement the evaporation effect and/or achieving self-cleaning effects, ie avoiding burning or adhesions.
  • temperature control or preheating of the steam to a desired temperature can be provided.
  • a desired temperature for example body temperature (37 ° C)
  • a desired temperature for example body temperature (37 ° C)
  • swirling of the steam can be provided, for example in a mixing chamber with ambient air, or through a suitable design of a mouthpiece of the cigarette product 10, for example through holes at 45 °, helical structures, Laval nozzle and the like.
  • the actuator 25 of the atomizer 22 and the heating element 36 of the evaporator 23 are separately electrically connected to the control arrangement 29 and are controlled separately from one another, an advantageous functional separation between the delivery/dosing/atomization on the one hand and the evaporation on the other hand is realized.
  • the liquid channel 27 is preferably sealed by means of a seal 28 arranged between the addition device 20 and the liquid tank 18 and surrounding the mouth of the liquid channel 27 to the outside.
  • a sensor system for measuring and/or controlling the temperature of the heating plate 36 is preferably provided. This can for example via a temperature sensor, a resistance-variable conductive coating of the heating element 36 or measurement of the energy loss after the heating plate 36 has cooled down due to impinging liquid. Furthermore, a sensor system is preferably provided for measuring and/or controlling the temperature of the supply air, ie the air flow 34, before the liquid is added by the addition device 20. A temperature measurement and/or control of the vapor or aerosol 40 is also advantageously provided, in particular in the chamber 24 and/or in the air stream 34 after the liquid has been added by the addition device 20. The use of a pH sensor is also conceivable.
  • the air sucked in through the inlet opening 31 is guided in the air duct 30, possibly via the interface or separating surface 57, to the addition device 20.
  • a filter in particular a fine filter, for filtering out dust particles from the sucked-in air can be arranged in the air duct 30.
  • a pressure or flow switch 44 for activating the atomizer 48 and the evaporator 49 as a result of the generation of an air stream 34 by the consumer is further arranged in the air duct 30 in such a way that the air stream 34 flows past it.
  • the flow switch 44 can be arranged in the evaporator chamber 24 in the flow variant, see for example Fig. 5 and Fig. 6 .
  • the flow switch 44 can be arranged at a suitable location in the air duct 30 outside the evaporator chamber 24.
  • the flow switch 44 can advantageously be integrated into the electrical/electronic unit 19, in which case the air duct 30 is advantageously arranged such that the air flow 34 flows past the electrical/electronic unit 19.
  • the flow switch 44 can be, for example, a vacuum switch, for example based on the principle of the condenser microphone.
  • the cigarette product can be switched on and off by means of a mechanical switch, a capacitive switch that is sensitive to the consumer touching the housing 11 or the mouth end 32, or a touch screen.
  • the vapor or aerosol 40 is either supplied to the air flow 34 by flowing past the outlet opening 42 of the evaporator chamber 24 on the outside, see Fig. 1, Fig. 3 , Fig. 4 , Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9 , Fig. 11 and Fig. 12 .
  • the air stream 34 flows through the addition device 20 and the vapor or aerosol 40 is carried along and absorbed by the air stream 30 in the evaporator chamber 24, see Fig. 5, Fig. 6 and Fig. 10 .
  • the vapor or aerosol 40 is added perpendicular to the air flow 34 flowing eccentrically and in the axial direction of the cigarette product 10.
  • Fig. 1 the embodiment according to Fig.
  • the air stream 34 flows through the adding device 20 perpendicular to the axial direction of the cigarette product 10.
  • the vapor or aerosol 40 is added axially centrally in the opposite direction to the axial main flow direction of the air flow 34 flowing through the cigarette product 10.
  • the vapor or aerosol 40 is added axially centrally in the main axial flow direction of the air flow 34 flowing through the cigarette product 10.
  • the adding device 20 can be arranged far from the mouth end 32 of the cigarette device 10, in particular in the area of the interface 57 between the cartridge 21 and the base part 56, as in the exemplary embodiments Fig. 1 , Fig. 10 and Fig. 11 .
  • the addition device 20 can alternatively be close to the mouth end 32
  • Cigarette device 10 may be arranged as in the exemplary embodiment Fig. 12 .
  • An arrangement at the side of the liquid tank 18, particularly in the area of the electrical/electronic unit 19, is also possible.
  • a sensor system for measuring and/or controlling the liquid volume flow or different liquids or liquid components (see below). This can be done, for example, by counting the number of droplets and/or evaluating the actuation frequency of the actuator 25, or by evaluating the heating power or the temperature change of the heating element 36.
  • a sensor system for measuring the volume flow of the air flow 34 can also be advantageously provided either before or after the addition of liquid through the addition device 20. This can be done, for example, by evaluating the activation time of a pressure switch, taking the flow geometry into account.
  • the cigarette product 10 preferably contains one or more pressure sensors for measuring and/or controlling the pressure or vapor pressure in the evaporator chamber 24, the pressure in the air duct 30, for example for activating or switching the adding device 20, and/or for leak testing between the adding device 20 and liquid tank 18.
  • Both the atomizer component 22 and the evaporator component 23 are made using microsystem technology on a silicon substrate executed.
  • Microsystem technical units have electrical and/or mechanical structures with dimensions in the micrometer or sub-millimeter range, which are incorporated into a substrate in a uniform processing process.
  • the electrical actuator 25 and any sensors provided in the atomizer component 22 are incorporated into the substrate 38 in a uniform processing process using microsystem technology.
  • the heating element 36 and possibly a piezo element for vibrating the heating element 36 and sensors provided in the evaporator component 23 are incorporated into the substrate 39 in a uniform processing process using microsystem technology.
  • the entire addition device 20 is therefore designed as a uniform microsystem technology unit 45.
  • the heating element 36 is arranged flat and parallel to the surface of the substrate 39, so to speak “lying down”.
  • the embodiment according to Fig. 4 differs from that according to Fig. 3 in that here the heating element 36 consists of a plurality of heating rods 41 projecting vertically from the corresponding surface of the substrate 39, i.e. a quasi "standing" three-dimensional heating element structure.
  • the air flow 34 generated by the consumer flows through the adding device 20 and thereby takes the steam or aerosol generated in the evaporator chamber 24 with it.
  • Air inlet opening 42 and an air outlet opening 43 are provided in the adding device 20.
  • the pressure switch 44 for example a capacitor switch, for activating the atomizer 48 and the evaporator 49 as a result of the generation of an air flow 34 by the consumer, is advantageously integrated into the microsystem technology unit 45, for example into the evaporator component 23 (see Fig. 5 ), alternatively in the atomizer component 22 (see Fig. 6 ).
  • a preheater with an electrical preheating element 46 and a preheating chamber 47 can advantageously be arranged in the liquid channel 27, as exemplified in the embodiment according to FIGS Fig. 5 and Fig. 6 is shown.
  • the atomizer component 22 is designed as a microsystem technology unit 45, while the substrate 39 of the evaporator component 23 is made of a non-conductive material, in particular glass, ceramic or a plastic.
  • the evaporator component 23 is advantageously connected or bonded to the atomizer component 22.
  • the liquid tank 18, which is preferably made of a plastic, for example PDMS (polydimethylsiloxane), is advantageously also firmly and liquid-tightly connected or bonded to the atomizer component 22 or the microsystem technology unit 45, for example glued or welded.
  • the embodiments according to Fig. 7 and Fig. 8 relate to an advantageous variant of the invention, in which different liquids 50, 50A, for example the liquid 50 and a separate liquid active ingredient 50A, from a plurality of liquid tanks 18, 18A with a plurality of atomizers 48, 48A, here free jet atomizers based on the inkjet or bubble jet principle with actuators 25, 25A, and evaporated with a plurality of corresponding evaporators 49, 49A or heating elements 36, 36A.
  • the atomizer component 22 and the evaporator component 23 are in the case of Fig. 7 designed as a uniform microsystem technical unit or assembly 45. In the case of those not covered by the invention Fig. 8
  • the structure is comparable to that from Fig. 6 , that is, only the atomizer component 22 is designed as a microsystem technology unit, while the substrate 39 of the evaporator component 23 is made of a non-conductive material, in particular glass, ceramic or a plastic.
  • An alternative variant for supplying active ingredient is to mix it into the liquid 50 as a homogeneous mixture.
  • the embodiment according to Fig. 9 can be used to supply the same liquid 50 or different liquids 50, 50A.
  • the atomizers 48, 48A and the evaporators 49, 49A are arranged on the same microsystem technology unit 45, the evaporator chamber 24 is closed opposite the microsystem technology unit 45 by a cover 51 made of a suitable material.
  • the heating elements 36, 36A are arranged on opposite sides of an intermediate wall 52 which projects vertically into the evaporator chamber 24 and thus form a "standing" heating element structure.
  • droplets with an average size in the range between 10 ⁇ m and 50 ⁇ m, preferably between 20 ⁇ m and 40 ⁇ m, typically around 30 ⁇ m, can be produced.
  • the dosing frequency is typically in the kHz range.
  • a large number of atomizers 48 for example in matrix form, can advantageously be arranged in the addition device 20.
  • a corresponding number of evaporators 49 for example also in matrix form, can be assigned to the large number of atomizers 48.
  • the addition device 20 can therefore also be referred to as an array, or in microsystem design as an MST array.
  • the number of atomizers 48 is preferably between two and twenty, preferably between three and ten.
  • a plurality of addition devices 20 or microsystem technology units 45 can be arranged in the cigarette product.
  • the consumption unit 17 or the cartridge 21 advantageously comprises a non-volatile information memory 53 (see Fig. 1 ) for storing information or parameters relating to the consumption unit 17 or the cartridge 21, for example in the form of EEPROM, RFID or other suitable form.
  • the information storage 53 can be part of the electrical/electronic unit 19 or be designed separately from it.
  • the ingredient ie the composition of the liquid stored in the liquid tank 18
  • Information about the process profile in particular or system testing, for example leak testing
  • Data relating to copy protection and anti-counterfeit protection in particular comprising an ID for unique information about the consumption unit 17 or cartridge 21; serial number, date of manufacture and/or expiration date; and/or number of puffs (number of inhalation puffs by the consumer) or the time of use.
  • An electrical connection 54 is advantageously provided between the consumption unit 17 or the cartridge 21 and the energy supply unit 12 via a corresponding electrical interface 55, which enables the cartridge 21 to be replaced.
  • the electrical connection 54 serves, on the one hand, for data exchange between the consumption unit 17 or the cartridge 21 and the energy supply unit 12, and on the other hand for the power supply of the consumption unit 17 or the cartridge 21 through the electrical energy storage 14.
  • the data exchange can be carried out via a direct electrical coupling, for example by means of Spring contact elements, a radio connection or an optical connection.
  • All electrical contacts of the cartridge 21 for the energy supply, possibly also for data transmission, are advantageously routed to the outside in the form of a uniform electrical interface 55, for example in the form of a contact array, with a secure electrical connection to the base part 56 advantageously being established by means of spring contact elements becomes.
  • the power supply can also be inductive, for example.
  • the mechanical connection between the cartridge 21 and the base part 56 can be formed in a suitable manner, for example by means of a thread, plug connection, bayonet lock, magnetic or in some other way. In the manner described, a standard cartridge 21 can be flexibly connected to an individually designed base part 56.
  • the energy supply unit 12 or the base part 56 advantageously comprises a communication interface 59 (see Fig. 1 ) for external communication with an external communication device, for example a cell phone.
  • the communication interface 59 preferably has a radio module, for example designed for Near Field Communication (NFC), Bluetooth, WiFi or ANT+. Additionally or alternatively, an external plug connection, for example a USB socket for a USB connection, is possible.
  • the communication interface 59 can be part of the electrical/electronic unit 15 or formed separately from it.
  • the energy supply unit 12 or the base part 56 can advantageously have a charging interface 60 for charging the energy storage 14.
  • the charging interface 60 can, for example, enable induction charging. Alternatively, it can be a plug connection or another direct electrical connection, for example a USB connection.
  • the energy storage can also be designed as a replacement battery or replacement battery, whereby a discharged energy storage 14 can be removed from the cigarette product 10 by the consumer and a charged energy storage 14 can be used again.
  • Embodiments with a disposable energy storage device 14, in particular a battery, without a charging interface 60 are also conceivable, with the base part being disposed of after the energy storage device 14 has been discharged.
  • the electrical/electronic unit 15 of the base part 56 is preferably set up to carry out diagnostic functions, in particular via software, for example to detect malfunctions, for example checking the nozzles 26, 37 and/or checking the evaporator 49, including plausibility of the evaporator performance; and/or checking the charge status of the energy storage device 14.
  • the electrical/electronic unit 15 can further have a fuse, for example a fuse for short-circuit protection, and/or a misuse protection device, for example a fingerprint sensor.
  • the electrical/electronic unit 15 of the base part 56 is advantageously set up to carry out statistical evaluations, in particular using software. These can, for example, relate to consumer behavior, for example the number of puffs over time, liquid consumption in general and/or per cartridge, nicotine or active ingredient intake, liquid composition and the like. Further aspects of a statistical evaluation can concern market developments and trends.
  • An API interface for application programming can also be provided, which, for example, enables all sensor information to be displayed in any combination.
  • the electrical/electronic unit 15 of the base part 56 is advantageously set up for the visualization of data or information on a display device, in particular using software.
  • a display device in particular using software.
  • This can be an internal display device, in particular a display, screen, touchscreen or LED display in the housing 11 of the base part 56.
  • the visualization can take place on an external display device, for example a mobile phone.
  • the visualized information can be the illustration the statistical evaluation, a temporal trend and/or information about a current consumption profile, relating, for example, to the system status (charge status of the energy storage 14), steam volume, cartridge content, etc.
  • Fig. 13 Diagrams are shown to explain possible temperature and heating output control or regulation.
  • the draft resistance of the air flow 34 is plotted over time at the top, the volume flow of the liquid 50 in the middle and the temperature of the heating element 36 at the bottom.
  • the temperature is recorded, for example, via the change in resistance due to cooling when wetted with liquid and the power is adjusted accordingly.
  • a pulsed supply of thermal energy with “droplet-by-drop” voltage pulses can be advantageous, particularly in the sub-ms range.
  • FIG. 14 An essentially self-explanatory functional circuit diagram of the cigarette product 10 according to the invention based on what has been described above with the help of the inserted reference numbers is shown in Fig. 14 shown.
  • the consumption unit 17 or the cartridge 21 has an electrical control unit 19 and further electrical components, in particular actuators 25 and heating elements 36.
  • the electrical control unit 19 and/or the other electrical components are arranged completely in the reusable base part 56, so that the number of electrical components in the consumption unit 17 or cartridge 21 is reduced, or the consumption unit 17 or cartridge 21 at most passive electrical components (passive data storage 53 such as RFID, transponder or the like), or is free of electrical components.
  • passive data storage 53 such as RFID, transponder or the like

Landscapes

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Zigarettenprodukt nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Der überwiegende Teil der aktuell am Markt befindlichen elektronischen Zigarettenprodukte basiert auf dem sogenannten Dochtwendelprinzip. Ein Docht, z.B. aus Glasfaser, ist partiell mit einer Heizwendel umwickelt und steht mit einem Flüssigkeitsspeicher in Kontakt. Bei Erwärmung der Heizwendel verdampft die in dem Docht befindliche Flüssigkeit im Bereich der Heizwendel. Aufgrund der Kapillarwirkung wird die verdampfte Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsspeicher nachgefördert. Eine solche elektronische Zigarette ist beispielhaft in der US 2016/0021930 A1 beschrieben.
  • Die Förderung der Flüssigkeit und die Dampfmenge sind dabei über den Docht untrennbar miteinander gekoppelt. Die Verdampfungsleistung bestimmt die Dampfmenge; von Rauchern wird jedoch häufig eine hohe Dampfmenge zur Erzielung eines nachhaltigen Raucherlebnisses gewünscht. Infolge der dafür erforderlichen hohen, im Wesentlichen systembedingten inhomogenen Temperatur-Flüssigkeits-Verteilung kommt es zu einer möglichen partiellen Überhitzungsgefahr und somit zu unerwünschter Schadstoffemission. Ein weiterer Nachteil bekannter elektronischer Zigaretten ist die Leckageanfälligkeit bei Luftdruckschwankungen.
  • US 2016/007653 A1 offenbart ein elektronisches Zigarettenprodukt nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • US 2005/016550 A1 offenbart ein elektronisches Zigarettenprodukt mit einer Zugabevorrichtung auf der Grundlage eines Bubble-Jet-Verfahrens oder eines piezoelektrischen Verfahrens.
  • US 20141060554 A1 offenbart ein elektronisches Zigarettenprodukt mit einem Mikroheizer, der eine strukturierte elektrisch leitende Schicht enthält.
  • EP 0 845 220 A1 offenbart ein elektronisches Zigarettenprodukt mit einem Auslasskopf, der ein piezoelektrisches Element aufweist, und einem keramischen Heizer.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein sicheres, hochqualitatives und zertifizierbares elektronisches Zigarettenprodukt und eine Kartusche bereitzustellen, bei denen die geschilderten Nachteile der potenziellen Überhitzungsgefahr und der damit verbundenen Schadstoffemission vermieden werden.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Ausführung mindestens wesentlicher Teile der Zugabevorrichtung als mikrosystemtechnische Einheit ermöglicht erfindungsgemäß die vollständige Entkopplung der Flüssigkeitsförderung bzw. -dosierung von deren Erwärmung zwecks Verdampfung. Flüssigkeit wird per Mikrodosierung mittels eines Freistrahlzerstäubers nach dem Inkjet- oder Bubblejet-Prinzip in eine Kammer im Inneren der Zugabevorrichtung gefördert bzw. eingespritzt. Beabstandet und funktionell getrennt davon ist ein exakt temperierbares Heizelement als Teil eines Verdampfers vorgesehen. Die Temperatur des Heizelements kann dabei vollkommen unabhängig von dem Volumenstrom der Flüssigkeit eingestellt oder geregelt werden. Bei fest eingestellter Temperatur kann die geförderte Flüssigkeitsmenge und somit die Menge an Dampf/Aerosol wie gewünscht eingestellt werden. Durch exakte Temperatursteuerung/-regelung des Verdampfer-Heizelements können Überhitzung und dadurch entstehende Schadstoffe, beispielsweise Acrylverbindungen, vollständig vermieden werden.
  • Die erfindungsgemäß verwendete Mikrosystem-Technologie ermöglicht dabei die mikrometergenaue und exakt reproduzierbare Fertigung unterschiedlicher elektromechanischer Funktionsgruppen einschließlich Sensorik und Aktuatoren auf einem Substrat aus Silizium in einem einheitlichen Herstellungsvorgang. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß die für eine Massenfertigung und Zertifizierbarkeit erforderliche Produktqualität sichergestellt werden. Erfindungsgemäß ist der Zerstäuber und auch der Verdampfer der Zugabevorrichtung als mikrosystemtechnische Einheit ausgebildet.
  • Vorzugsweise sind der Flüssigkeitstank und die Zugabevorrichtung in einer auswechselbaren Kartusche angeordnet. Wenn der Flüssigkeitstank geleert ist, muss somit nicht das gesamte Zigarettenprodukt entsorgt werden, sondern es muss nur die leere Kartusche gegen eine gefüllte ausgewechselt werden. Ein erheblicher Teil des Zigarettenprodukts einschließlich des Energiespeichers kann somit wiederverwendet werden. Die Zugabevorrichtung als Teil der Kartusche hat den erheblichen Vorteil, dass hierdurch eine definierte Schnittstelle geschaffen wird, die eine leckagefreie Auswechselung der Kartusche ohne aufwändige Dichtmaßnahmen ermöglicht, da die Mikrostruktur der mikrosystemtechnischen Einheit leichter abgedichtet werden kann oder sogar aufgrund der Oberflächenspannung selbstdichtend ist.
  • Die Kartusche kann vorteilhaft einen Daten- bzw. Informationsspeicher zum Speichern von die Kartusche betreffender Information und/oder Parametern umfassen.
  • Vorzugsweise ist das Verhältnis der größten Erstreckung der mikrosystemtechnischen Einheit zum mittleren Durchmesser des im Wesentlichen stabförmigen Gehäuses im Bereich der Zugabevorrichtung kleiner als 0,5 und weiter vorzugsweise kleiner als 0,4 und noch weiter vorzugsweise kleiner als 0,3 und besonders vorteilhaft kleiner als 0,2. Eine kompakte Bauweise der mikrosystemtechnischen Einheit vergrößert die Flexibilität hinsichtlich möglicher Anordnungen der mikrosystemtechnischen Einheit in dem Zigarettenprodukt bzw. in der Kartusche.
  • Der Zerstäuber ist erfindungsgemäß ein Freistrahl-Zerstäuber mit einem Thermo- oder Piezo-Aktuator und einer nachgeordneten Düse. In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung kann der Zerstäuber ein elektrisches Vorheizelement und eine Vorwärmkammer zum Vorwärmen der aus dem Flüssigkeitstank in die Zugabevorrichtung eintretenden Flüssigkeit aufweisen. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn ein metallisches, die Flüssigkeit kontaktierendes Teil des Zerstäubers auf eine elektrische Gleichspannung gelegt ist, um eine Ionisierung der zerstäubten Flüssigkeit zu bewirken.
  • Vorzugsweise ist die Heizleistung des Verdampfer-Heizelements auf eine definierte Solltemperatur steuer- und/oder regelbar. In vorteilhaften Ausführungsformen kann der Verdampfer ein mit dem elektrischen Heizelement gekoppeltes Piezoelement umfassen. Das aufgrund der Piezo-Anregung vibrierende Heizelement kann zu einer Verbesserung der Verdampfungswirkung und/oder Erzielung von Selbstreinigungseffekten, d.h. Vermeidung von Anbrennen oder Anhaftungen, führen.
  • In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung können unterschiedliche Flüssigkeiten aus einer Mehrzahl von Flüssigkeitstanks mit einer Mehrzahl von Zerstäubern zerstäubt werden, wobei den Zerstäubern vorzugsweise eine entsprechende Mehrzahl von Verdampfern und Heizelementen zugeordnet sind. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Wirkstoff gezielt zu einer Grundflüssigkeit zudosiert werden. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die Heizleistung der Heizelemente individuell auf definierte Solltemperaturen steuer- und/oder regelbar ist, da dies eine Anpassung und optimale Wahl der jeweiligen Heiztemperatur für jede Flüssigkeit ermöglicht.
  • Besonders vorteilhaft ist der Flüssigkeitstank ein flexibler Beutel. Hierdurch wird mit einfachen Mitteln erreicht, dass der Flüssigkeitstank lageunabhängig und leckagefrei vollständig entleerbar ist.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Flüssigkeitsspeicher in Form einer Liquid-on-Chip-Vorrichtung vorgesehen. Bei dieser ebenfalls mikrosystemtechnisch-basierten Technologie besteht die Möglichkeit, kleine Mengen Flüssigkeit direkt auf einem Chip zu speichern, vergleichbar mit einem Tropfen, der in einer Art Blister eingeschlossen ist und durch gezielte Aktivierung freigesetzt werden kann. Beispielsweise könnte ein Freistrahl-Zerstäuber zum Zerstäuben einer Grundflüssigkeit vorgesehen sein und die eigentliche Zudosierung von Aromen und/oder Wirkstoffen über eine Liquid-on-Chip-Vorrichtung erfolgen.
  • In praktischen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Mehrzahl von Zerstäubern insbesondere in Matrix- oder Arrayform in der Zugabevorrichtung angeordnet sein. Der Mehrzahl von Zerstäubern kann eine entsprechende Mehrzahl von Verdampfern, beispielsweise ebenfalls in Matrixform, zugeordnet sein. Für die Erzeugung größerer Dampfmengen können eine Mehrzahl von Zugabevorrichtungen bzw. mikrosystemtechnische Einheiten in dem Zigarettenprodukt angeordnet sein.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
  • Dabei zeigt
    • Fig. 1
    eine Querschnittsansicht eines elektronischen Zigarettenprodukts in einer Ausführungsform der Erfindung;
    Fig. 2
    eine Querschnittsansicht einer Kartusche für ein elektronisches Zigarettenprodukt;
    Fig. 3-9
    Querschnittsansichten von mindestens teilweise mikrosystemtechnisch-basierten Zugabevorrichtungen für ein elektronisches Zigarettenprodukt in unterschiedlichen Ausführungsformen;
    Fig. 10-12
    Querschnittsansichten eines elektronischen Zigarettenprodukts in weiteren Ausführungsformen der Erfindung;
    Fig. 13
    Zeitdiagramme zur Erläuterung einer vorteilhaft gepulsten Verdampfer-Temperaturregelung; und
    Fig. 14
    ein Funktionsschaltbild eines erfindungsgemäßen Zigarettenprodukts.
  • Das elektronische Zigarettenprodukt 10 umfasst ein im Wesentlichen stabförmiges oder zylindrisches Gehäuse 11, das im Querschnitt rund, oval, elliptisch, quadratisch, rechteckig, vieleckig oder anders geformt sein kann. In dem Gehäuse 11 ist ein Luftkanal 30 zwischen mindestens einer Lufteinlassöffnung 31 und dem Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 vorgesehen. 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. Mindestens eine Lufteinlassöffnung 31 kann an der Mantelseite des Gehäuses 11 angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens eine Lufteinlassöffnung 31A am entfernten Ende 33 des Zigarettenprodukts 10 angeordnet sein. Das entfernte Ende 33 des Zigarettenprodukts 10 bezeichnet das dem Mundende 32 entgegengesetzte Ende des Zigarettenprodukts 10.
  • Die Luftzuführung durch die Lufteinlassöffnung(en) 31, 31A kann einstellbar sein, insbesondere durch veränderbaren Strömungswiderstand, beispielsweise mittels verstellbarer Luftschlitze oder einem drehbaren Ring mit Regulierungsöffnung. Des Weiteren kann ein (Fein-)Filter an der oder den Lufteinlassöffnung(en) 31, 31A zum Reinigen der angesaugten Luft vorgesehen sein. Auch eine lonisierungseinrichtung zum Ionisieren der angesaugten Luft ist möglich, was eine bessere Tröpfchenaufnahme und eine bessere biologische Verträglichkeit bewirken kann. Schließlich ist eine Einrichtung zum Vorwärmen bzw. Vortemperieren der angesaugten Luft denkbar.
  • Das Zigarettenprodukt 10 ist vorzugsweise so gestaltet, dass der Zugwiderstand an dem Mundende 32 vorzugsweise im Bereich zwischen 50 und 130 mm Wassersäule, weiter vorzugsweise zwischen 80 und 120 mm Wassersäule, noch weiter vorzugsweise zwischen 90 und 110 mm Wassersäule und optimalerweise zwischen 95 und 105 mm Wassersäule liegt. Der Zugwiderstand bezieht sich dabei auf den Druck, der benötigt wird, um Luft durch die volle Länge des Zigarettenprodukts 10 mit einer Rate von 17.5 ml/s bei 22 °C und 101 kPa (760 Torr) zu ziehen, und der in Übereinstimmung mit ISO 6565:2011 gemessen wird.
  • Das Zigarettenprodukt 10 umfasst einen ersten (Axial-)Abschnitt 13, vorteilhaft am entfernten Ende 33 des Zigarettenprodukts 10, in dem eine elektronische Energieversorgungseinheit 12 mit einem elektrischen Energiespeicher 14 und einer elektrischen/elektronischen Einheit 15 angeordnet ist. Der Energiespeicher 14 erstreckt sich vorteilhaft in axialer Richtung des Zigarettenprodukts 10. Die elektrische/elektronische Einheit 15 ist vorteilhaft seitlich neben dem Energiespeicher 14 angeordnet. Der Energiespeicher 14 kann eine elektrochemische Einweg-Batterie, ein wiederaufladbarer elektrochemischer Akku, z.B. ein Li-lonen-Akku, oder eine Brennstoffzelle sein.
  • Das Zigarettenprodukt 10 umfasst des Weiteren einen zweiten (Axial-)Abschnitt 16, vorteilhaft am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10, in dem eine Verbrauchseinheit 17 mit einem Flüssigkeitstank 18, einer elektrischen Einheit 19 und einer Zugabevorrichtung 20 angeordnet ist. Der Flüssigkeitstank 18 erstreckt sich vorteilhaft in axialer Richtung des Zigarettenprodukts 10.
  • Anstelle der getrennten elektrischen/elektronischen Einheiten 15, 19 kann auch eine einheitliche elektrische/elektronische Einheit vorgesehen sein, die entweder in der Energieversorgungseinheit 12 oder in der Verbrauchseinheit 17 angeordnet sein kann. Die Gesamtheit der elektrischen/elektronischen Einheiten des Zigarettenprodukts 10 wird im Folgenden als Steueranordnung 29 bezeichnet.
  • In dem Gehäuse 11 ist vorteilhaft ein Sensor, beispielsweise ein Drucksensor oder ein Druckschalter, angeordnet, wobei die Steueranordnung auf der Grundlage eines von dem Sensor ausgegebenen Sensorsignals einen Betriebszustand des Zigarettenprodukts 10 feststellen kann, in dem ein Konsument am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 zieht, um zu inhalieren. In diesem Betriebszustand steuert die Steueranordnung 29 die Zugabevorrichtung 20 an, um Flüssigkeit 50 aus dem Flüssigkeitstank 18 als Zugabe 40 in Form kleiner Flüssigkeitstropfen als Nebel/Aerosol und/oder gasförmig als Dampf in den Luftstrom 34 zuzugeben. Die in dem Flüssigkeitstank 18 gespeicherte, zu dosierende Flüssigkeit ist beispielsweise eine Mischung aus 1,2-Propylenglykol, Glycerin und Wasser, der ein oder mehrere Aromen und/oder Wirkstoffe, wie beispielsweise Nikotin, zugemischt sein können.
  • Der den Flüssigkeitstank 18 enthaltende Abschnitt 16 oder die Verbrauchseinheit 17 ist vorteilhaft als vom Konsumenten auswechselbare Kartusche 21, d.h. als Einwegteil ausgeführt. Der Rest des Zigarettenprodukts 10, insbesondere der den Energiespeicher 14 enthaltende Abschnitt 13 ist vorteilhaft als vom Konsumenten wiederverwendbares Grundteil 56, d.h. als Mehrwegteil ausgeführt. Die Kartusche 21 ist vom Konsumenten mit dem Grundteil 56 verbindbar und vom Grundteil 56 lösbar ausgebildet. Zwischen der Kartusche 21 und dem wiederverwendbaren Grundteil 56 ist somit eine Trennfläche bzw. Schnittstelle 57 gebildet. Das Kartuschengehäuse 58 kann einen Teil des Gehäuses 11 des Zigarettenprodukts 10 bilden.
  • In anderen Ausführungsformen, siehe Fig. 2, ist die Verbrauchseinheit 17 als Kartusche 21 ausgeführt, die in den wiederverwendbaren Grundteil 56 des Zigarettenprodukts 10 durch den Konsumenten einsetzbar und aus diesem entnehmbar ist. Das Kartuschengehäuse 58 ist in diesem Fall ein von dem Gehäuse 11 des Zigarettenprodukts 10 separates Gehäuse.
  • Die Kartusche 21 umfasst mindestens den Flüssigkeitstank 18 und die Zugabevorrichtung 20. Die Kartusche 21 kann, wie in Fig. 2 gezeigt, die elektrische/elektronische Einheit 19 umfassen. In anderen Ausführungsformen ist die elektrische/elektronische Einheit 19 ganz oder teilweise fester Bestandteil des Grundteils 56. Die Kartusche 21 kann neben der Verwendung in stabförmigen Zigarettenprodukten 10 auch in anderen Produkten eingesetzt werden, beispielsweise in einer elektronischen Pfeife. Der Energiespeicher 14 ist in der Regel nicht Teil der Kartusche 21, sondern Teil des wiederverwendbaren Grundteils 56.
  • Der Flüssigkeitstank 18 ist zur Vermeidung von Leckage vorzugsweise flüssigkeitsdicht geschlossen und behält diese Eigenschaft unter sämtlichen auftretenden Umgebungsbedingungen, d.h. über einen weiten Temperatur- und Umgebungsdruckbereich. Vorteilhaft wird somit der Zutritt von Umgebungsluft in den Flüssigkeitstank 18 vermieden, so dass aus dem Flüssigkeitstank 18 ausschließlich Flüssigkeit entnommen wird. Des Weiteren soll der Flüssigkeitstank 18 lageunabhängig möglichst vollständig entleerbar sein. Vorzugsweise ist der Flüssigkeitstank 18 zertifiziert befüllt und nicht nachfüllbar ausgebildet, um Missbrauch und Manipulation sicher zu verhindern.
  • Der Flüssigkeitstank 18 kann zur Realisierung der zuvor genannten Anforderungen eine vorteilhaft viskositätsabhängige Kapillarstruktur aufweisen und/oder zur Erzeugung einer Mikro-Fluidik eingerichtet sein. Eine Entleerung über einen beispielsweise elektrisch, etwa mittels Spindelantrieb, angetriebenen Verdränger, vorzugsweise unter Verwendung eines Kolbens in einem zylinderförmigen Tank, ist möglich.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Flüssigkeitstank 18 ein flexibler Beutel. Hierdurch wird mit einfachen Mitteln erreicht, dass der Flüssigkeitstank 18 lageunabhängig und leckagefrei vollständig entleerbar ist.
  • Der Flüssigkeitstank 18 kann einen Behälter, eine Halterung oder eine Strukturkomponente umfassen, in die die oben genannte Kapillarstruktur und/oder der Beutel eingelegt ist. Ein typisches Tankvolumen des Flüssigkeitstanks 18 liegt im Bereich zwischen 0,5 ml und 2 ml. Das Zigarettenprodukt 10 kann vorteilhaft eine Füllstandskontrolle für den Flüssigkeitstank 18 umfassen, die beispielsweise an die Zugzahl gekoppelt sein kann. Der Flüssigkeitstank 18 ist vorzugsweise aus einem inerten und/oder lebensmittelverträglichen bzw. pharmatauglichen Material, insbesondere einem Kunststoff, gefertigt, wobei das Material optisch transparent oder undurchsichtig sein kann.
  • Der Flüssigkeitstank 18 kann an die Zugabevorrichtung 20 mechanisch gekoppelt oder von dieser entkoppelt sein. Im Falle einer mechanischen Kopplung dient die Zugabevorrichtung 20 vorteilhaft als Deckel oder Auslaufschutz für den Flüssigkeitstank 18. Im Falle einer Entkopplung ist insbesondere eine Flüssigkeitsleitung, d.h. eine kapillare Verbindung zwischen dem Flüssigkeitstank 18 und der Zugabevorrichtung 20 vorgesehen. Sofern der Flüssigkeitstank 18 von der Zugabevorrichtung 20 trennbar ausgeführt ist, muss dies leckagefrei möglich sein, d.h. der Flüssigkeitstank 18 weist einen Verschließmechanismus auf, der infolge der Trennung des Flüssigkeitstanks 18 von der Zugabevorrichtung 20 automatisch eine Abgabeöffnung des Flüssigkeitstanks 18 flüssigkeitsdicht verschließt, etwa mittels eine federbelasteten Kugel, einem Rückschlagventil oder dergleichen.
  • Das Verhältnis der größten Erstreckung a der mikrosystemtechnischen Einheit 45 (siehe Fig. 3) zum mittleren Durchmesser D des im Wesentlichen stabförmigen Gehäuses 11 im Bereich der Zugabevorrichtung 20 (siehe Fig. 12) ist vorteilhaft kleiner als 0,5.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zugabevorrichtung 20 ist in Fig. 3 gezeigt. Die Zugabevorrichtung 20 umfasst ein Zerstäuberbauteil 22 mit einem Zerstäuber 48 und ein Verdampferbauteil 23 mit einem Verdampfer 49, die in Bezug zu einer Kammer 24 im Inneren der Zugabevorrichtung 20 angeordnet sind.
  • Der Zerstäuber 48 ist ein Freistrahl-Zerstäuber nach dem Inkjet-oder Bubblejet-Prinzip, mit einem in einem Flüssigkeitskanal 27 angeordneten Aktuator 25 und nachfolgend angeordneten Düse 26, die in die Kammer 24 mündet. Der mit einer geeigneten Ansteuerfrequenz typischerweise im kHz-Bereich elektrisch angesteuerte Aktuator 25 kann ein piezoelektrisches Element oder ein Heizelement sein. Bei Feststellung eines durch Ziehen des Konsumenten versursachten Luftstroms 34 durch den Luftkanal 30 steuert die Steueranordnung 29 den Aktuator 25 an, wobei durch plötzliche Erhitzung (im Falle eines Heizelements) oder durch Erschütterung (im Falle eines Piezo-Elements) die in dem Flüssigkeitskanal 27 befindliche Flüssigkeit in Form von kleinen Tröpfchen aus der Düse 26 in die Kammer 24 geschleudert wird.
  • Der Zerstäuber 48 dient in der Ausführung als Freistrahl-Zerstäuber nach dem Inkjet- oder Bubblejet-Prinzip zugleich zur Förderung der Flüssigkeit 50 aus dem Flüssigkeitstank 18 durch den Flüssigkeitskanal 27 sowie der Dosierung der Flüssigkeit in die Kammer 24. Der Zerstäuber 48 kann daher auch als Freistrahl-Dosierer bezeichnet werden. Zusätzlich können zur Förderung und/oder Dosierung der Flüssigkeit auch Mikropumpen und -ventile, eine Förderung mit integrierter Flüssigkeits-(Vor-)temperierung, die weiter unten noch illustriert wird, und/oder Druckdifferenz-getrieben, entweder aus dem Luftstrom 30 selbst oder mittels Vordruck auf oder in dem Flüssigkeitstank 18.
  • Der Zerstäuber/Dosierer 48 ist so eingestellt, dass eine vorteilhafte Flüssigkeitsmenge im Bereich zwischen 1 µl bis 10 µl, typischerweise 4 µl pro Zug des Konsumenten, zudosiert wird. Vorzugsweise ist der Zerstäuber/Dosierer 48 so ausgelegt, dass eine (Dosierungs-)Reserve vorhanden ist. Vorzugsweise kann der Zerstäuber/Dosierer 48 hinsichtlich der Flüssigkeitsmenge pro Zug einstellbar sein.
  • Zusätzlich zu dem Freistrahl-Dosierer 48 können andere Mittel zum Zuführen der Flüssigkeit 50 von dem Flüssigkeitstank 18 zu dem Zerstäuber 48 verwendet werden, beispielsweise in Form von mindestens einer Pumpe, beispielsweise Membranpumpe, Peristaltikpumpe, Verdrängerpumpe, zum Beispiel mit Spindelantrieb, Zahnradpumpe. Alternativ könnte der Unterdruck in dem vom Konsumenten erzeugten Luftstrom 30 zur Förderung der Flüssigkeit 50 verwendet werden, beispielsweise über ein Verbindungsrohr.
  • Die Steueranordnung 29 kann vorteilhaft zur Einstellung unterschiedlicher Konsumprofile eingerichtet sein. Insbesondere kann vorteilhaft die Dampf-Dosierungsrate in gewissen Bereichen für den Konsumenten einstellbar sein. Beispielsweise könnten drei Dampf-Leistungsstufen mit viel, mittel und wenig Dampf wählbar sein, entsprechend beispielsweise 400, 500 und 600 Zügen pro 2 ml-Kartusche 21. Realisiert werden kann dies beispielsweise über die Frequenz der Ansteuerung des Zerstäubers 48. Die Dimensionierung des Heizelements 36 ist in solchen Ausführungsformen auf die größte wählbare Dampfleistung ausgelegt.
  • Alternativ zu einem separaten Flüssigkeitstank 18 kann eine einheitliche Speicher-/Zerstäubereinheit in Form eines sogenannten Liquid-on-Chip-Systems eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um eine Vielzahl einzelner Flüssigkeitsreservoire, die auf einer Platine integriert angeordnet sind und einzeln elektrisch angesteuert bzw. "geschossen" werden können, um die darin gespeichert Flüssigkeit freizusetzen. Typische Blistergrößen liegen im Bereich zwischen 150 µl und 5 ml. Ein Liquid-on-Chip-System kann auch zum Zudosieren von Wirkstoff parallel zu einem Flüssigkeitstank zum Zugeben von Basisflüssigkeit vorgesehen sein.
  • Vorzugsweise können metallische, die Flüssigkeit kontaktierende Teile des Zerstäubers 22, beispielsweise das Heizelement 25 und/oder die Düse 26, auf eine elektrische Gleichspannung gelegt sein, um eine Ionisierung der zerstäubten Flüssigkeit zu bewirken. Dadurch können feinere Tropfen, eine bessere räumliche Verteilung der zerstäubten Flüssigkeit und/oder eine Anziehungskraft der Tropfen in Richtung zu einem Heizelement 36 des Verdampfers 23 (siehe unten) vorteilhaft erzielt werden. Dies kann insbesondere für pharmazeutische Anwendungen vorteilhaft sein.
  • Der Verdampfer 49 weist ein Heizelement 36 auf, das bei Feststellung eines durch Ziehen des Konsumenten versursachten Luftstroms 34 durch den Luftkanal 30 von der Steueranordnung 29 angesteuert wird, um mittels Strom aus der Energiequelle beheizt zu werden und die aus der Düse 26 austretenden Tröpfchen zu verdampfen, d.h. in den gas- bzw. dampfförmigen Zustand zu versetzen. Zur Erzielung einer optimalen Verdampfung ist das Heizelement 36 vorzugsweise gegenüberliegend der Düse 26 angeordnet. Das elektrische Heizelement 36 kann insbesondere als Heizplatte mit ebener oder strukturierter Oberfläche ausgeführt sein. Die Größe und Oberflächenbeschaffenheit bzw. Struktur des Heizelements 36 ist vorzugsweise an die Viskosität und Oberflächenspannung bzw. Benetzungsfähigkeit der Flüssigkeit angepasst. Auch eine polare Beschichtung ist möglich.
  • Das Heizelement 36 wird von der Steueranordnung 29, insbesondere der elektrischen/elektronische Einheit 19, so angesteuert, dass dieses eine im Wesentlichen konstante Verdampfungstemperatur vorzugsweise im Bereich zwischen 100 °C und 400 °C aufweist. Dies kann vorteilhaft durch eine Regelung der Heizleistung geschehen. Vorzugsweise ist eine Leistungsreserve für das Heizelement 36 vorgesehen. Die Verdampfungsleistung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1 W bis 20 W, weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 2 W und 10 W.
  • Im Falle einer Mehrzahl von Verdampfer-Heizelementen 36, 36A (siehe Fig. 7 bis Fig. 9) zur Verdampfung einer Mehrzahl von Flüssigkeiten 50, 50A, werden die Heizelemente 36, 36A vorzugsweise getrennt geregelt, um für jede Komponente eine optimale Verdampfungstemperatur sicherstellen zu können. Auch eine zeitlich versetzte Verdampfung verschiedener Flüssigkeiten 50, 50A ist denkbar, wobei die Tröpfchen alternierend bzw. wechselweise getaktet aus den verschiedenen Düsen auf die Heizelemente 36, 36A geschossen werden. Dies kann zu einer gleichmäßigeren Verdampfung führen. Des Weiteren ist es in einer solchen Ausführung möglich, eine angepasste Verdampfungstemperatur auch nur mit einem Heizelement zu erreichen.
  • Die Zerstäuber/Verdampfer-Kombination kann vorteilhaft so eingestellt sein, dass überwiegend Flüssigkeitspartikel im Bereich zwischen 0,25 µm bis 10 µm entstehen, für die eine optimale Wirkstoffaufnahme bzw. Lungengängigkeit gegeben ist.
  • Da die Kammer 24 insbesondere zur Verdampfung der aus der Düse 26 austretenden Tröpfchen dient, kann die Kammer 24 auch als Verdampferkammer bezeichnet werden. Die Kammer 24 ist im Querschnitt vorteilhaft länglich, wie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt, wobei die Düse 26 und das Heizelement 36 vorteilhaft an gegenüberliegenden Längsseiten angeordnet sind. Vorzugsweise senkrecht oder seitlich zu der Austrittsrichtung des Flüssigkeitsstrahls aus der Düse 26 ist eine Austrittsbohrung 37 vorgesehen, durch die der von dem Verdampfer 49 erzeugte Dampf aus der Verdampferkammer 24 austritt, wo er von dem vorzugsweise senkrecht zu der Bohrung 37 verlaufenden Luftstrom 34 mit- und aufgenommen wird.
  • Das Heizelement 36 kann in vorteilhaften Ausführungsformen mit einem Piezoelement ausgestattet sein. Das aufgrund der Piezo-Anregung vibrierende Heizelement 36 kann zu einer Verbesserung der Verdampfungswirkung und/oder Erzielung von Selbstreinigungseffekten, d.h. Vermeidung von Anbrennen oder Anhaftungen, führen.
  • Optional kann eine Temperierung oder Vorwärmung des Dampfes auf eine gewünschte Temperatur, beispielsweise Körpertemperatur (37°C), vorgesehen sein. Dies kann vorteilhaft mittels eines entsprechenden Heizelements oder eines Wärmetauschers geschehen. Ebenfalls optional kann eine Verwirbelung des Dampfes vorgesehen sein, beispielsweise in einer Mischkammer mit Umgebungsluft, oder durch geeignetes Design eines Mundstücks des Zigarettenprodukts 10, etwa durch Bohrungen unter 45°, Helixstrukturen, Lavaldüse und dergleichen.
  • Da der Aktuator 25 des Zerstäubers 22 und das Heizelement 36 des Verdampfers 23 separat elektrisch mit der Steueranordnung 29 verbunden sind und separat voneinander angesteuert werden, ist eine vorteilhafte funktionale Trennung zwischen der Förderung / Dosierung / Zerstäubung einerseits und der Verdampfung andererseits realisiert.
  • Der Flüssigkeitskanal 27 ist vorzugsweise mittels einer zwischen der Zugabevorrichtung 20 und dem Flüssigkeitstank 18 angeordneten, die Mündung des Flüssigkeitskanals 27 nach außen umgebenden Dichtung 28 abgedichtet.
  • Im Folgenden werden unterschiedliche Sensoriken in dem Zigarettenprodukt 10 zur sensorischen Überwachung und/oder Regelung beschrieben.
  • Vorzugsweise ist eine Sensorik zur Messung und/oder Regelung der Temperatur der Heizplatte 36 vorgesehen. Dies kann beispielsweise über einen Temperaturfühler, eine widerstands-veränderliche leitende Beschichtung des Heizelements 36 oder Messung des Energieverlusts nach Abkühlung der Heizplatte 36 durch auftreffende Flüssigkeit erfolgen. Des Weiteren ist vorzugsweise eine Sensorik zur Messung und/oder Regelung der Temperatur der Zuluft, d.h. des Luftstroms 34 vor der Zugabe der Flüssigkeit durch die Zugabevorrichtung 20, vorgesehen. Ebenfalls vorteilhaft ist eine Temperaturmessung und/oder -regelung des Dampfes bzw. Aerosols 40 vorgesehen, insbesondere in der Kammer 24 und/oder in dem Luftstrom 34 nach der Zugabe der Flüssigkeit durch die Zugabevorrichtung 20. Auch der Einsatz eines pH-Sensors ist denkbar.
  • Die durch die Einlassöffnung 31 angesaugte Luft wird in dem Luftkanal 30, ggf. über die Schnittstelle bzw. Trennfläche 57 zu der Zugabevorrichtung 20 geleitet. In dem Luftkanal 30 kann ein Filter, insbesondere ein Feinfilter zum Herausfiltern von Staubpartikeln aus der angesaugten Luft angeordnet sein. In dem Luftkanal 30 ist des Weiteren ein Druck- oder Strömungsschalter 44 zur Aktivierung des Zerstäubers 48 und des Verdampfers 49 infolge der Erzeugung eines Luftstroms 34 durch den Konsumenten so angeordnet, dass der Luftstrom 34 daran vorbeiströmt. Der Strömungsschalter 44 kann in der Durchströmungsvariante in der Verdampferkammer 24 angeordnet sein, siehe beispielsweise Fig. 5 und Fig. 6. Alternativ kann der Strömungsschalter 44 an geeigneter Stelle in dem Luftkanal 30 außerhalb der Verdampferkammer 24 angeordnet sein. Der Strömungsschalter 44 kann vorteilhaft in die elektrische/elektronische Einheit 19 integriert sein, in diesem Fall ist der Luftkanal 30 vorteilhaft so angeordnet, dass der Luftstrom 34 an der elektrischen/elektronischen Einheit 19 vorbeiströmt. Der Strömungsschalter 44 kann beispielsweise ein Unterdruckschalter, etwa nach dem Prinzip des Kondensatormikrofons sein. Zusätzlich oder alternativ zu dem Strömungsschalter 44 kann das Zigarettenprodukt mittels eines mechanischen Schalters, eines kapazitiven Schalters, der auf Berührung des Gehäuses 11 oder des Mundendes 32 durch den Konsumenten empfindlich ist, oder eines Touchscreens ein- und ausschaltbar sein.
  • Der Dampf bzw. das Aerosol 40 wird entweder der Luftströmung 34 zugeführt, indem diese außen an der Austrittsöffnung 42 der Verdampferkammer 24 vorbeiströmt, siehe Fig. 1, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9, Fig. 11 und Fig. 12. in alternativen Ausführungsformen durchströmt der Luftstrom 34 die Zugabevorrichtung 20 und der Dampf bzw. das Aerosol 40 wird in der Verdampferkammer 24 von der Luftströmung 30 mit- und aufgenommen, siehe Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 10. In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird der Dampf bzw. das Aerosol 40 senkrecht zu der exzentrisch und in Axialrichtung des Zigarettenprodukts 10 strömenden Luftströmung 34 zugegeben. In der Ausführungsform gemäß Fig. 10 durchströmt der Luftstrom 34 die Zugabevorrichtung 20 senkrecht zu der Axialrichtung des Zigarettenprodukts 10. In der Ausführungsform gemäß Fig. 11 wird der Dampf bzw. das Aerosol 40 axial zentrisch in Gegenrichtung zu der axialen Hauptströmungsrichtung der durch das Zigarettenprodukt 10 strömenden Luftströmung 34 zugegeben. In der Ausführungsform gemäß Fig. 12 wird der Dampf bzw. das Aerosol 40 axial zentrisch in der axialen Hauptströmungsrichtung der durch das Zigarettenprodukt 10 strömenden Luftströmung 34 zugegeben.
  • Die Zugabevorrichtung 20 kann fern vom Mundende 32 der Zigarettenvorrichtung 10, insbesondere im Bereich der Schnittstelle 57 zwischen der Kartusche 21 und dem Grundteil 56 angeordnet sein, wie in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1, Fig. 10 und Fig. 11. Die Zugabevorrichtung 20 kann alternativ nahe am Mundende 32 der Zigarettenvorrichtung 10 angeordnet sein, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12. Auch eine zum Flüssigkeitstank 18 seitliche Anordnung insbesondere im Bereich der elektrischen/elektronischen Einheit 19 ist möglich.
  • Vorzugsweise ist eine Sensorik zur Messung und/oder Regelung des Flüssigkeits-Volumenstroms bzw. unterschiedlicher Flüssigkeiten bzw. flüssiger Komponenten (siehe unten) vorgesehen. Dies kann beispielsweise durch Zählung der Tröpfchenzahl und/oder Auswertung der Aktuationsfrequenz des Aktuators 25, oder über Auswertung der Heizleistung bzw. der Temperaturveränderung des Heizelements 36 geschehen.
  • Ebenfalls vorteilhaft kann eine Sensorik zur Messung des Volumenstroms des Luftstroms 34 entweder vor oder nach der Zugabe von Flüssigkeit durch die Zugabevorrichtung 20 vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise durch Auswertung der Aktivierungszeit eines Druckschalters unter Berücksichtigung der Strömungsgeometrie geschehen.
  • Vorzugsweise enthält das Zigarettenprodukt 10 einen oder mehrere Drucksensoren zur Messung und/oder Kontrolle des Drucks bzw. Dampfdrucks in der Verdampferkammer 24, des Drucks in dem Luftkanal 30, beispielsweise zur Aktivierung bzw. Schaltung der Zugabevorrichtung 20, und/oder zur Dichtigkeitsprüfung zwischen Zugabevorrichtung 20 und Flüssigkeitstank 18.
  • In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind sowohl das Zerstäuberbauteil 22 als auch das Verdampferbauteil 23 in Mikrosystem-Technik auf einem Substrat aus Silizium ausgeführt. Mikrosystemtechnische Einheiten weisen elektrische und/oder mechanische Strukturen mit Abmessungen im Mikrometer- bzw. Sub-Millimeter-Bereich auf, die in einem einheitlichen Bearbeitungsvorgang in ein Substrat eingearbeitet werden. Im Falle eines Zerstäuberbauteils 22 werden insbesondere der Flüssigkeitskanal 27, der elektrische Aktuator 25 und ggf. in dem Zerstäuberbauteil 22 vorgesehene Sensorik in einem einheitlichen Bearbeitungsvorgang der Mikrosystem-Technologie in das Substrat 38 eingearbeitet. Im Falle eines Verdampferbauteils 23 wird insbesondere das Heizelement 36 und ggf. ein Piezoelement zum Vibrieren des Heizelements 36 und in dem Verdampferbauteil 23 vorgesehene Sensorik in einem einheitlichen Bearbeitungsvorgang der Mikrosystem-Technologie in das Substrat 39 eingearbeitet. In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist daher die gesamte Zugabevorrichtung 20 als einheitliche mikrosystemtechnische Einheit 45 ausgeführt.
  • In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist das Heizelement 36 flach und parallel zu der Oberfläche des Substrats 39, also quasi "liegend" angeordnet.
  • Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von der gemäß Fig. 3 dahingehend, dass hier das Heizelement 36 aus einer Mehrzahl von senkrecht von der entsprechenden Oberfläche des Substrats 39 abstehenden Heizstäben 41, also aus einer quasi "stehenden" dreidimensionalen Heizelement-Struktur besteht.
  • In den Ausführungsformen gemäß Fig. 5 und Fig. 6 wird die Zugabevorrichtung 20 von dem von dem Konsumenten erzeugten Luftstrom 34 durchströmt und nimmt dadurch den in der Verdampferkammer 24 erzeugten Dampf bzw. das Aerosol mit. Es ist dafür eine Lufteintrittsöffnung 42 und eine Luftaustrittsöffnung 43 in der Zugabevorrichtung 20 vorgesehen. Der Druckschalter 44, beispielsweise ein Kondensatorschalter, zur Aktivierung des Zerstäubers 48 und des Verdampfers 49 infolge der Erzeugung eines Luftstroms 34 durch den Konsumenten, ist vorteilhaft in die mikrosystemtechnische Einheit 45 integriert, beispielsweise in das Verdampferbauteil 23 (siehe Fig. 5), alternativ in das Zerstäuberbauteil 22 (siehe Fig. 6).
  • In dem Flüssigkeitskanal 27 kann vorteilhaft eine Vorheizung mit einem elektrischen Vorheizelement 46 und einer Vorwärmkammer 47 angeordnet sein, wie beispielhaft in der Ausführungsform gemäß den Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt ist.
  • In der nicht unter die Erfindung fallenden Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist nur das Zerstäuberbauteil 22 als mikrosystemtechnische Einheit 45 ausgebildet, während das Substrat 39 des Verdampferbauteils 23 aus einem nichtleitenden Material, insbesondere Glas, Keramik oder einem Kunststoff, gefertigt ist. Dieser Aufbau kann kostengünstiger und somit vorteilhaft sein. Das Verdampferbauteil 23 ist vorteilhaft an das Zerstäuberbauteil 22 angebunden bzw. gebondet. Der vorzugsweise aus einem Kunststoff, beispielsweise PDMS (Polydimethylsiloxan), bestehende Flüssigkeitstank 18 ist vorteilhaft ebenfalls an das Zerstäuberbauteil 22 bzw. die mikrosystemtechnische Einheit 45 fest und flüssigkeitsdicht angebunden bzw. gebondet, beispielsweise geklebt oder geschweißt.
  • Die Ausführungsformen gemäß Fig. 7 und Fig. 8 betreffen eine vorteilhafte Variante der Erfindung, bei der unterschiedliche Flüssigkeiten 50, 50A, beispielsweise die Flüssigkeit 50 und ein separater flüssiger Wirkstoff 50A, aus einer Mehrzahl von Flüssigkeitstanks 18, 18A mit einer Mehrzahl von Zerstäubern 48, 48A, hier Freistrahl-Zerstäuber nach dem Inkjet- oder Bubblejet-Prinzip mit Aktuatoren 25, 25A, zerstäubt und mit einer Mehrzahl entsprechender Verdampfer 49, 49A bzw. Heizelementen 36, 36A verdampft werden. Das Zerstäuberbauteil 22 und das Verdampferbauteil 23 sind im Falle der Fig. 7 als einheitliche mikrosystemtechnische Einheit bzw. Baugruppe 45 ausgebildet. Im Falle der nicht unter die Erfindung fallenden Fig. 8 ist der Aufbau vergleichbar mit dem aus Fig. 6, d.h. nur das Zerstäuberbauteil 22 ist als mikrosystemtechnische Einheit ausgeführt, während das Substrat 39 des Verdampferbauteils 23 aus einem nichtleitenden Material, insbesondere Glas, Keramik oder einem Kunststoff, gefertigt ist.
  • Eine alternative Variante zum Zuführen von Wirkstoff besteht darin, diesen als homogenes Gemisch in die Flüssigkeit 50 einzumischen.
  • Die Ausführungsform gemäß Fig. 9 kann zum Zuführen derselben Flüssigkeit 50 oder unterschiedlicher Flüssigkeiten 50, 50A verwendet werden. Hier sind die Zerstäuber 48, 48A und die Verdampfer 49, 49A auf derselben mikrosystemtechnischen Einheit 45 angeordnet, die Verdampferkammer 24 wird gegenüberliegend von der mikrosystemtechnischen Einheit 45 von einem Deckel 51 aus einem geeigneten Material abgeschlossen. Die Heizelemente 36, 36A sind in diesem Fall an gegenüberliegenden Seiten einer senkrecht in die Verdampferkammer 24 ragenden Zwischenwand 52 angeordnet und bilden somit eine "stehende" Heizelement-Struktur.
  • Sämtliche in den Figuren gezeigten Ausführungsformen weisen einen oder mehrere Verdampfer 49 auf.
  • Mit einem Freistrahl-Zerstäuber nach dem Inkjet- oder Bubblejet-Prinzip lassen sich beispielsweise Tröpfchen mit einer mittleren Größe im Bereich zwischen 10 µm und 50 µm, vorzugsweise zwischen 20 µm und 40 µm, typischerweise etwa 30 µm erzeugen. Die Dosierfrequenz liegt typischerweise im kHz-Bereich.
  • In praktischen Ausführungsformen kann vorteilhaft eine Vielzahl von Zerstäubern 48, beispielsweise in Matrixform, in der Zugabevorrichtung 20 angeordnet sein. Der Vielzahl von Zerstäubern 48 kann eine entsprechende Vielzahl von Verdampfern 49, beispielsweise ebenfalls in Matrixform, zugeordnet sein. Die Zugabevorrichtung 20 kann daher auch als Array, in mikrosystemtechnischer Bauweise als MST-Array bezeichnet werden. Die Anzahl der Zerstäuber 48 beträgt vorzugsweise zwischen zwei und zwanzig, vorzugsweise zwischen drei und zehn.
  • Für die Erzeugung größerer Dampfmengen können eine Mehrzahl von Zugabevorrichtungen 20 bzw. mikrosystemtechnischen Einheiten 45 in dem Zigarettenprodukt angeordnet sein.
  • Die Verbrauchseinheit 17 bzw. die Kartusche 21 umfasst vorteilhaft einen nichtflüchtigen Informationsspeicher 53 (siehe Fig. 1) zum Speichern von die Verbrauchseinheit 17 bzw. die Kartusche 21 betreffender Information bzw. Parametern, beispielsweise in Ausführung als EEPROM, RFID oder anderer geeigneter Form. Der Informationsspeicher 53 kann Teil der elektrischen/elektronischen Einheit 19 oder separat davon ausgebildet sein. In dem Informationsspeicher 53 gespeichert ist vorteilhaft Information zum Inhaltsstoff, d.h. zur Zusammensetzung der in dem Flüssigkeitstank 18 gespeicherten Flüssigkeit; Information zum Prozessprofil, insbesondere bzw. Systemprüfung, beispielsweise Dichtigkeitsprüfung; Daten betreffend Kopierschutz und Fälschungssicherheit, insbesondere umfassend eine ID zur eindeutigen Information der Verbrauchseinheit 17 bzw. Kartusche 21; Seriennummer, Herstelldatum und/oder Ablaufdatum; und/oder Zugzahl (Anzahl der Inhalationszüge durch den Konsumenten) bzw. der Nutzungszeit.
  • Zwischen der Verbrauchseinheit 17 bzw. der Kartusche 21 und der Energieversorgungseinheit 12 ist vorteilhaft eine elektrische Verbindung 54 über eine entsprechende elektrische Schnittstelle 55, die eine Auswechslung der Kartusche 21 ermöglicht, vorgesehen. Die elektrische Verbindung 54 dient einerseits dem Datenaustausch zwischen der Verbrauchseinheit 17 bzw. der Kartusche 21 und der Energieversorgungseinheit 12, andererseits der Stromversorgung der Verbrauchseinheit 17 bzw. der Kartusche 21 durch den elektrischen Energiespeicher 14. Der Datenaustausch kann über eine direkte elektrische Ankopplung, beispielsweise mittels Federkontaktelementen, eine Funkverbindung oder eine optische Verbindung, erfolgen.
  • Sämtliche elektrischen Kontakte der Kartusche 21 für die Energiezufuhr, ggf. auch für die Datenübertragung, sind vorteilhaft in Form einer einheitlichen elektrischen Schnittstelle 55 nach außen geführt, beispielsweise in Form eines Kontakt-Arrays, wobei eine sichere elektrische Verbindung zum Grundteil 56 vorteilhaft mittels Federkontaktelementen hergestellt wird. Die Stromversorgung kann alternativ zu einer direkten elektrischen Ankopplung, beispielsweise mittels Federkontaktelementen, beispielsweise auch induktiv erfolgen. Die mechanische Verbindung zwischen der Kartusche 21 und dem Grundteil 56 kann auf geeignete Weise gebildet sein, beispielsweise mittels Gewinde, Steckverbindung, Bajonettverschluss, magnetisch oder auf andere Weise. Auf die beschriebene Weise kann eine flexible Anbindung einer Standardkartusche 21 an einen individuell ausgeführten Grundteil 56 erfolgen.
  • Die Energieversorgungseinheit 12 bzw. das Grundteil 56 umfasst vorteilhaft eine Kommunikationsschnittstelle 59 (siehe Fig. 1) zur externen Kommunikation mit einem externen Kommunikationsgerät, beispielsweise einem Mobiltelefon. Die Kommunikationsschnittstelle 59 weist vorzugsweise ein Funkmodul auf, beispielsweise ausgebildet für Near Field Communication (NFC), Bluetooth, WiFi oder ANT+. Zusätzlich oder alternativ ist eine externe Steckverbindung, beispielsweise eine USB-Steckbuchse für eine USB-Verbindung, möglich. Die Kommunikationsschnittstelle 59 kann Teil der elektrischen/elektronischen Einheit 15 oder separat davon ausgebildet sein.
  • Die Energieversorgungseinheit 12 bzw. das Grundteil 56 kann vorteilhaft eine Ladeschnittstelle 60 zum Aufladen des Energiespeichers 14 aufweisen. Die Ladeschnittstelle 60 kann beispielsweise eine Aufladung per Induktion ermöglichen. Alternativ kann es sich um eine Steckverbindung oder eine andere direkte elektrische Ankopplung, beispielsweise eine USB-Verbindung, handeln. Anstelle einer Ladeschnittstelle kann der Energiespeicher auch als Tauschakku oder Tauschbatterie ausgebildet sein, wobei ein entladener Energiespeicher 14 von dem Konsumenten aus dem Zigarettenprodukt 10 entnehmbar und ein geladener Energiespeicher 14 wieder einsatzbar ist. Es sind auch Ausführungsformen mit Einweg-Energiespeicher 14, insbesondere Batterie, ohne Ladeschnittstelle 60 denkbar, wobei das Grundteil nach Entladung des Energiespeichers 14 entsorgt wird.
  • Die elektrische/elektronische Einheit 15 des Grundteils 56 ist vorzugsweise zur Durchführung von Diagnosefunktionen insbesondere per Software eingerichtet, beispielsweise zum Erkennen von Fehlfunktionen, beispielsweise Prüfen der Düsen 26, 37 und/oder Prüfen des Verdampfers 49, einschließlich Plausibilität der Verdampferleistung; und/oder Prüfen des Ladezustands der Energiespeichers 14. Die elektrische/elektronische Einheit 15 kann des Weiteren eine Sicherung, beispielsweise eine Schmelzsicherung für Kurzschlussschutz, und/oder eine Missbrauchsschutzvorrichtung, beispielsweise einen Fingerabdrucksensor, aufweisen.
  • Die elektrische/elektronische Einheit 15 des Grundteils 56 ist vorteilhaft zur Durchführung statistischer Auswertungen insbesondere per Software eingerichtet. Diese können beispielsweise das Konsumentenverhalten betreffen, beispielsweise die Zugzahl über der Zeit, den Flüssigkeitsverbrauch allgemein und/oder pro Kartusche, die Nikotin- bzw. Wirkstoffaufnahme, die Flüssigkeitszusammensetzung und dergleichen. Weitere Aspekte einer statistischen Auswertung können Marktentwicklungen und Trends betreffen. Es kann auch eine API-Schnittstelle zur Anwendungsprogrammierung vorgesehen sein, die beispielsweise eine Darstellbarkeit sämtlicher Sensorinformationen in beliebiger Kombination ermöglicht.
  • Die elektrische/elektronische Einheit 15 des Grundteils 56 ist vorteilhaft zur Visualisierung von Daten bzw. Informationen auf einem Anzeigegerät insbesondere per Software eingerichtet. Dabei kann es sich um ein internes Anzeigegerät handeln, insbesondere ein Display, Bildschirm, Touchscreen oder LED-Anzeige in dem Gehäuse 11 des Grundteils 56. Zusätzlich oder alternativ kann die Visualisierung auf einem externen Anzeigegerät, beispielsweise einem Mobiltelefon, erfolgen. Die visualisierte Information kann die Abbildung der statistischen Auswertung, einen zeitlichen Trend und/oder Informationen über ein aktuelles Konsumprofil, betreffend beispielsweise den Systemzustand (Ladezustand des Energiespeichers 14), Dampfvolumen, Kartuscheninhalt etc. beinhalten.
  • In Fig. 13 sind Diagramme zur Erläuterung einer möglichen Temperatur- und Heizleistungssteuerung bzw. -regelung gezeigt. Dabei ist oben der Zugwiderstand des Luftstroms 34, in der Mitte der Volumenstrom der Flüssigkeit 50 und unten die Temperatur des Heizelements 36 jeweils über der Zeit aufgetragen. Die Temperatur wird dabei beispielsweise über die Widerstandsänderung durch Abkühlung bei Benetzung mit Flüssigkeit erfasst und die Leistung dementsprechend nachgeregelt. Dabei kann eine gepulste Zufuhr der Wärmeenergie mit "tröpchenweisen" Spannungsimpulsen insbesondere im Sub-ms-Bereich vorteilhaft sein.
  • Ein auf der Grundlage des vorstehend Beschriebenen unter Zuhilfenahme der eingefügten Bezugszeichen im Wesentlichen selbsterklärendes Funktionsschaltbild des erfindungsgemäßen Zigarettenprodukts 10 ist in Fig. 14 gezeigt.
  • Bei sämtlichen in den Figuren gezeigten Ausführungsformen weist die Verbrauchseinheit 17 bzw. die Kartusche 21 eine elektrische Steuereinheit 19 und weitere elektrische Komponenten, insbesondere Aktuatoren 25 und Heizelemente 36 auf. Es sind jedoch auch Ausführungsformen möglich, bei denen die elektrische Steuereinheit 19 und/oder die weiteren elektrischen Komponenten vollständig in dem wiederverwendbaren Grundteil 56 angeordnet sind, so dass die Anzahl der elektrischen Komponenten in der Verbrauchseinheit 17 bzw. Kartusche 21 reduziert sind, oder die Verbrauchseinheit 17 bzw. Kartusche 21 höchstens passive elektrische Komponenten (passiver Datenspeicher 53 wie RFID, Transponder oder dergleichen) umfasst, oder frei von elektrischen Komponenten ist. Diese Ausführungsformen haben den Vorteil, dass eine elektrische Kontaktierung der Kartusche 21 über die elektrische Schnittstelle 55 vorteilhaft entfallen kann.

Claims (13)

  1. Elektronisches Zigarettenprodukt (10), umfassend ein Gehäuse (11) mit einem Mundende (32), mindestens einer Lufteinlassöffnung (31) und einem in dem Gehäuse zwischen der mindestens einen Lufteinlassöffnung (31) und dem Mundende (32) verlaufenden Luftkanal (30), einen Flüssigkeitstank (18), einen elektrischen Energiespeicher (14) und eine mit dem Flüssigkeitstank (18) verbundene Zugabevorrichtung (20) zur Erzeugung von Dampf und/oder Aerosol von aus dem Flüssigkeitstank (18) entnommener Flüssigkeit (50) und Zugabe des Dampfs und/oder Aerosols (40) zu einem in dem Luftkanal (30) strömenden Luftstrom (34), wobei die Zugabevorrichtung (20) mindestens teilweise aus einer mikrosystemtechnischen Einheit besteht, wobei die Zugabevorrichtung (20) einen Verdampfer (49) mit einem elektrischen Heizelement (36) umfasst, wobei die Zugabevorrichtung (20) einen Zerstäuber (48) zum Zerstäuben der Flüssigkeit (50) in Tropfen umfasst, wobei der Zerstäuber (48) ein Freistrahl-Zerstäuber mit einem in einem Flüssigkeitskanal (27) angeordneten Thermo- oder Piezo-Aktuator (25) und einer nachgeordneten Düse (26) ist, wobei der Zerstäuber (48) und der Verdampfer (49) unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Zerstäuberbauteil (22) auf einem Substrat (38) aus Silizium ausgeführt ist, wobei der Flüssigkeitskanal (27) und der elektrische Aktuator (25) in einem einheitlichen Bearbeitungsvorgang der Mikrosystemtechnologie in das Substrat (38) eingearbeitet sind, und
    - das Verdampferbauteil (23) auf einem Substrat (39) aus Silizium ausgeführt ist, wobei das Heizelement (36) in einem einheitlichen Bearbeitungsvorgang der Mikrosystemtechnologie in das Substrat (39) eingearbeitet ist.
  2. Elektronisches Zigarettenprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitstank (18) und die Zugabevorrichtung (20) in einer auswechselbaren Einheit (21), insbesondere einer Kartusche, verbunden sind, wobei die Kartusche (21) vorteilhaft eine elektrische Einheit (19) und/oder einen Informationsspeicher (53) zum Speichern von die Kartusche (21) betreffender Information und/oder Parametern umfasst.
  3. Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der größten Erstreckung der mikrosystemtechnischen Einheit (45) zum mittleren Durchmesser des im Wesentlichen stabförmigen Gehäuses (11) im Bereich der Zugabevorrichtung (20) kleiner als 0,5 ist.
  4. Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuber (48) als mikrosystemtechnische Einheit ausgebildet ist und/oder ein elektrisches Vorheizelement (46) und eine Vorwärmkammer (47) zum Vorwärmen der aus dem Flüssigkeitstank (18) in die Zugabevorrichtung (20) eintretenden Flüssigkeit aufweist.
  5. Elektronisches Zigarettenprodukt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein metallisches, die Flüssigkeit kontaktierendes Teil des Zerstäubers (48) auf eine elektrische Gleichspannung gelegt ist, um eine Ionisierung der zerstäubten Flüssigkeit zu bewirken.
  6. Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (49) als mikrosystemtechnische Einheit ausgebildet ist und/oder ein mit dem elektrischen Heizelement (36) gekoppeltes Piezoelement umfasst und/oder die Heizleistung des Heizelements (36) auf eine definierte Solltemperatur steuer-und/oder regelbar ist.
  7. Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Flüssigkeiten (50, 50A) aus einer Mehrzahl von Flüssigkeitstanks (18, 18A) mit einer Mehrzahl von Zerstäubern (48, 48A) zerstäubt werden.
  8. Elektronisches Zigarettenprodukt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass den Zerstäubern (48, 48A) eine entsprechende Mehrzahl von Verdampfern (49, 49A) mit Heizelementen (36, 36A) zugeordnet sind, wobei vorteilhaft die Heizleistung der Heizelemente (36, 36A) individuell auf definierte Solltemperaturen steuer- und/oder regelbar ist.
  9. Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitstank (18) mindestens einen flexiblen Beutel enthält.
  10. Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeitsspeicher-/Zerstäubereinheit in Form einer Liquid-on-Chip-Vorrichtung vorgesehen ist.
  11. Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Zerstäubern (48) insbesondere in Matrix- oder Arrayform in der Zugabevorrichtung (20) parallel angeordnet sind.
  12. Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Zugabevorrichtungen (20) in dem Zigarettenprodukt (10) parallel angeordnet sind.
  13. Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zigarettenprodukt (10) eine Kommunikationsschnittstelle (59) zur externen Kommunikation umfasst.
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