EP4120856A2 - Kartusche mit druckausgleich - Google Patents

Kartusche mit druckausgleich

Info

Publication number
EP4120856A2
EP4120856A2 EP21709971.2A EP21709971A EP4120856A2 EP 4120856 A2 EP4120856 A2 EP 4120856A2 EP 21709971 A EP21709971 A EP 21709971A EP 4120856 A2 EP4120856 A2 EP 4120856A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reservoir
liquid
cartridge
pressure
rubber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21709971.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Niklas ROMMING
Lennart KOCK
Arne ROSENBOHM
Christof Schuster
Max Bergmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koerber Technologies GmbH
Original Assignee
Koerber Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koerber Technologies GmbH filed Critical Koerber Technologies GmbH
Publication of EP4120856A2 publication Critical patent/EP4120856A2/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24F—SMOKERS' REQUISITES; MATCH BOXES; SIMULATED SMOKING DEVICES
    • A24F40/00—Electrically operated smoking devices; Component parts thereof; Manufacture thereof; Maintenance or testing thereof; Charging means specially adapted therefor
    • A24F40/40—Constructional details, e.g. connection of cartridges and battery parts
    • A24F40/42—Cartridges or containers for inhalable precursors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24F—SMOKERS' REQUISITES; MATCH BOXES; SIMULATED SMOKING DEVICES
    • A24F40/00—Electrically operated smoking devices; Component parts thereof; Manufacture thereof; Maintenance or testing thereof; Charging means specially adapted therefor
    • A24F40/40—Constructional details, e.g. connection of cartridges and battery parts
    • A24F40/48—Fluid transfer means, e.g. pumps
    • A24F40/485—Valves; Apertures
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24F—SMOKERS' REQUISITES; MATCH BOXES; SIMULATED SMOKING DEVICES
    • A24F40/00—Electrically operated smoking devices; Component parts thereof; Manufacture thereof; Maintenance or testing thereof; Charging means specially adapted therefor
    • A24F40/10—Devices using liquid inhalable precursors

Definitions

  • the invention relates to a cartridge for an electronic cigarette or a portable inhaler, an evaporator unit comprising a corresponding cartridge and an evaporator system comprising a corresponding cartridge or a corresponding evaporator unit.
  • a composition stored in a reservoir which is regularly referred to as liquid, is vaporized by a more or less controlled supply of thermal energy from a heating element, e.g. a filament, so that the user inhales the vapors that are produced can.
  • a heating element e.g. a filament
  • both the liquid and the gas in the reservoir experience a change in volume or pressure.
  • pressures between 70 kPa to 108 kPa and temperatures between -20 ° C to +60 ° C, which is mostly relevant in practice, the liquid can be assumed to be almost incompressible, but is subject to a temperature-dependent volume expansion of up to approx. 5%.
  • T is the temperature of the gas contained.
  • 70 kPa pressure at 60 ° C e.g. on the Switzerlandspitze or in an airplane with long-term direct sunlight on the cartridge
  • 108 kPa pressure at -20 ° C e.g. in a cold high pressure area
  • a negative pressure developing in the reservoir can, for example, impair the supply of liquid and in the worst case even prevent it, so that too little or no aerosol is generated (so-called “dry puff”). Since each evaporation process further reduces the amount of liquid in the reservoir, this can mean that no more liquid is evaporated, although there is still sufficient liquid in the reservoir.
  • An alternative solution provides for the reservoir as a whole not to be rigid, but rather to be designed entirely as a kind of bag, which consists of a flexible material and is reversibly deformable in order to compensate for the pressure fluctuations occurring inside the bag.
  • Corresponding designs solve the printing problem, but are regularly perceived as disadvantageous for numerous reasons.
  • these bags are usually more difficult to install in typical evaporator systems and usually require a surrounding rigid support structure, which increases the number of components required and the manufacturing effort.
  • corresponding reversibly deformable bags are mostly fragile and prone to damage, for example when they come into contact with objects or when the user acts.
  • the overriding object of the invention was to provide a cartridge for an electronic cigarette or a portable inhaler which eliminates or at least reduces the disadvantages of the prior art described above.
  • the primary object of the present invention was to provide a cartridge with a rigid reservoir which can be used in an electronic cigarette or a portable inhaler and which can be used over a wide range of environmental conditions, in particular at particularly high or low temperatures and / or high or low pressures, a uniform supply of liquid to the heating unit and thus a constant evaporation behavior.
  • the one to be specified for this The solution should not interfere with the fluid supply to the heating unit itself.
  • An additional task was to provide a cartridge that reliably prevents unwanted leakage of liquid from the reservoir. It was a boundary condition that the reservoir of the cartridge should be essentially rigid in order to ensure good processability.
  • a secondary object of the invention was to provide an evaporator unit comprising a corresponding cartridge and a corresponding evaporator system.
  • the inventors have chosen the premise that the basic prerequisite for a leak-free cartridge must be an essentially rigid reservoir, which is completely liquid-tight except for the withdrawal opening, for receiving a liquid, from which even at higher pressures at any point outside the withdrawal opening (i.e. closed a heating unit present in an evaporator unit) liquid can escape.
  • a heating unit during operation which comprises a wick material and an electrical heating element and which is designed in such a way that it prevents the liquid from escaping through the removal opening at least at very low overpressures inside the reservoir .
  • the inventors have recognized that under these specifications to achieve the object, one or more elements for pressure regulation must be provided in the interior of the reservoir, which are arranged in the wall of the reservoir and through which no leakage of liquid out of the reservoir is possible, whereby the inventors have identified three possible elements for pressure regulation that already do the job in themselves, in whole or in part to solve. These are check valves, gas-permeable but liquid-impermeable membranes and deformable wall sections.
  • the invention relates to a cartridge for an electronic cigarette or a portable inhaler, in particular an inhaler for medical purposes, comprising a rigid reservoir for receiving a liquid, the reservoir having at least one withdrawal opening which is designed to allow liquid to be withdrawn from the reservoir to enable out, wherein the reservoir comprises one or more elements for pressure regulation inside the reservoir, which are arranged in the wall of the reservoir and through which no escape of liquid from the reservoir is possible, wherein the elements for pressure regulation are selected independently of one another from the list consisting of Check valves, gas-permeable but liquid-impermeable membranes, and deformable, preferably reversibly deformable,
  • Cartridges according to the invention are suitable for use in electronic cigarettes or portable inhalers and comprise a rigid reservoir in which the liquid to be vaporized can be stored.
  • a reservoir in which the liquid to be vaporized can be stored.
  • rigid denotes in particular those reservoirs which experience a deformation of 1% or less, preferably 0.1% or less, when a pressure of 200 kPa is applied over a large area.
  • rigid reservoirs are known to the person skilled in the art and include, for example, reservoirs made of glass, metal or non-rubber-elastic plastic.
  • the reservoir has at least one removal opening which is set up to enable liquids to be removed from the reservoir.
  • the reservoirs known from the prior art mostly have exactly one extraction opening through which a wick material is usually introduced into the interior of the reservoir in corresponding evaporator units in order to convey the liquid through this wick material to an electrical fleece element which is arranged outside the reservoir and is in contact with the wick material.
  • the reservoir has one or more elements for pressure regulation in the interior of the reservoir, which according to the invention do not allow any liquid to escape from the reservoir.
  • an element for example an unsealed hole or an unsealed gap, through which liquid could escape from the reservoir, is not an element for pressure regulation within the meaning of the present invention.
  • appropriate Elements for pressure regulation also be suitable for effecting pressure regulation in the interior of the reservoir, ie at least partially, preferably at least 10%, particularly preferably at least 25%, compensating for a pressure difference that occurs in relation to the ambient pressure.
  • the elements for pressure regulation are arranged in the wall of the reservoir, the term wall also being able to denote the bottom or the top of the reservoir, independently of the geometry of the reservoir.
  • the expression “in the wall of the reservoir” does not mean that the element for pressure regulation must lie completely in the wall.
  • an element for pressure regulation is also arranged in the wall of the reservoir if it protrudes completely or partially from the plane of the wall, for example because it covers a recess arranged in the wall.
  • the elements for pressure regulation are selected independently of one another. This means that several different elements for pressure regulation can be arranged in the walls of the reservoir.
  • Check valves which are also referred to as 1-way valves, represent a possible element for pressure regulation.
  • Non-return valves are known to the person skilled in the art on the basis of his general specialist knowledge and allow material to be transported in only one direction.
  • Check valves do not allow liquid to escape from the reservoir if they are arranged in the wall of the reservoir in such a way that the open valve direction extends from the outside into the interior of the reservoir, so that in the case of the negative pressure inside the reservoir, gas from the outside in the interior of the reservoir can flow to allow pressure equalization.
  • the reverse path from the inside to the outside then corresponds to the blocking direction.
  • the element for pressure regulation can be a gas-permeable and at the same time liquid-impermeable membrane.
  • Corresponding membranes are familiar to the person skilled in the art on the basis of his general specialist knowledge and are commercially available since they are used, for example, in physico-chemical separation processes or in the manufacture of functional clothing.
  • Gas-permeable and liquid-impermeable membranes can be formed, for example, by hydrophobic membranes, in particular in the case of water as the liquid.
  • membranes depending on the composition of the liquid which is to be stored in the cartridge.
  • the implicit requirement of the membrane is that it is impermeable to liquid at least from the direction of the interior of the reservoir to the outside and is gas-permeable at least in one direction, preferably in both directions.
  • Corresponding membranes allow a gas exchange between the interior of the reservoir and the environment in at least one direction, but mostly in both directions, and thereby enable the reduction of overpressure and / or underpressure in the interior of the reservoir.
  • the element for pressure regulation can also be formed by a deformable, preferably reversibly deformable, wall section, preferably made of flexible material.
  • a deformable, preferably reversibly deformable, wall section preferably made of flexible material.
  • the reservoir which is rigid per se, has a section in a wall which, due to the choice of a flexible material and / or the formation in a sufficiently thin layer thickness, cannot be referred to as rigid, but instead is deformable.
  • the expression deformable can be determined in a clear and informal qualitative manner for the person skilled in the art.
  • deformable wall section denotes in particular a wall section which, through the choice of the material and / or the choice of the layer thickness, is designed in such a way that it increases by 1% or more, preferably 5% or more, when a pressure of 1 kPa is applied more, particularly preferably 10% or more, can be deformed, the wall section preferably being reversibly deformable.
  • a deformable wall section enables the overpressure and underpressure occurring in the interior of the reservoir to be compensated for by the Pressure difference causes the deformation of the corresponding section and thus increases or decreases the volume available in the reservoir as required, which causes a pressure drop or pressure increase.
  • Cartridges according to the invention are preferred, the reservoir consisting of one or more materials selected from the group consisting of glass, crystal, metal, ceramic, wood and plastic, preferably glass and plastic, and / or where the reservoir is one-piece or two-piece , preferably in two parts, and / or wherein the reservoir is designed so that at an internal pressure in the reservoir of 120 kPa, preferably 150 kPa, particularly preferably 180 kPa, more preferably 240 kPa, very particularly preferably 480 kPa or more, and an external pressure of 100 kPa liquid can escape from the reservoir exclusively through the withdrawal opening.
  • the reservoir consisting of one or more materials selected from the group consisting of glass, crystal, metal, ceramic, wood and plastic, preferably glass and plastic, and / or where the reservoir is one-piece or two-piece , preferably in two parts, and / or wherein the reservoir is designed so that at an internal pressure in the reservoir of 120 kPa, preferably 150 kPa, particularly preferably 180 k
  • the above materials are preferred because they are readily available and can be easily and precisely machined using conventional manufacturing techniques.
  • the use of glass and plastic is preferred here because these materials not only have a particularly high compatibility with the liquid compositions usually used, but also have a comparatively low weight and are regularly perceived as visually appealing. From a manufacturing point of view, it is particularly advantageous to design the reservoir in several pieces, preferably in two pieces, since such reservoirs are generally easier to manufacture than a one-piece reservoir which is completely closed with the exception of a (possibly small) removal opening.
  • a container that is only open on one side can be placed under Using conventional fastening means, a lid can be provided which comprises the dispensing opening, so that a rigid reservoir for receiving a liquid with a dispensing opening is obtained, which is basically suitable for use in a cartridge for an electronic cigarette or a portable inhaler.
  • the reservoir i.e. including the elements for pressure regulation in the interior of the reservoir, is very particularly preferably designed in such a way that, given the pressure differences defined above, the liquid can only exit from the reservoir through the withdrawal opening.
  • the reservoir in the preferred embodiment does not include any intentional leaks which could result in a deliberately intended leak at elevated pressures.
  • Corresponding cartridges according to the invention are preferred because there is no leakage of liquid from the cartridge even under particularly demanding conditions, for example in strong sunlight or on board an aircraft.
  • Cartridges according to the invention are preferred, the removal opening being designed to be filled with a wick material and / or to be closed with a heating unit.
  • Cartridges according to the invention are preferred, the reservoir comprising a non-return valve, preferably a lip valve, the non-return valve preferably being designed such that it is 1 kPa or more, preferably 2 kPa or more, particularly preferably 4 kPa or more, opens, the check valve particularly preferably consisting of a flexible material comprising one or more elastomers which have been produced from rubbers selected from the group consisting of natural rubber and synthetic rubber, preferably selected from the group consisting of Natural rubber, styrene-butadiene rubber, polybutadiene rubber, nitrile rubber, chloroprene rubber, ethylene-propylene-diene rubber and silicone rubber.
  • Corresponding cartridges according to the invention are preferred because the use of check valves makes it possible to enable rapid and reliable pressure equalization when a negative pressure occurs in the interior of the reservoir, for example during evaporation.
  • Typical check valves are known to the person skilled in the art.
  • a lip valve is preferred, and lip valves which are made of a flexible material have proven particularly advantageous.
  • Corresponding cartridges according to the invention are also preferred because the non-return valve has proven itself in our own field tests to be a particularly robust element for pressure regulation, which reliably fulfills its function in particular with large temperature fluctuations and / or mechanical loads.
  • non-return valves can also be superior to the use of membranes and deformable wall sections in this point.
  • the use of check valves is not suitable for counteracting an overpressure occurring in the interior of the reservoir, since the arrangement of a check valve with a corresponding flow direction from the interior of the reservoir inevitably leads to a would lead to a weak point through which, at least in principle, liquid could also escape from the interior of the reservoir.
  • non-return valves are preferably used which are designed in such a way that they open when the pressure in the reservoir is only slightly below the ambient pressure and thus a comparatively low negative pressure is present. This also reliably prevents the occurrence of small negative pressures, although correspondingly sensitive check valves are sometimes associated with higher material costs.
  • Cartridges according to the invention are preferred, the reservoir comprising a gas-permeable but liquid-impermeable, in particular water-impermeable, membrane, preferably a hydrophobic plastic membrane, in particular a hydrophobic membrane
  • a gas-permeable but liquid-impermeable, in particular water-impermeable, membrane preferably a hydrophobic plastic membrane, in particular a hydrophobic membrane
  • Polytetrafluoroethylene includes, wherein the membrane is preferably designed so that it allows the passage of gaseous water and / or gaseous 1,2-propanediol and / or gaseous glycerine.
  • Corresponding cartridges are preferred because gas-permeable but at the same time liquid-impermeable membranes can reliably hold back the liquid to be stored in the reservoir and at the same time allow gas to be exchanged between the interior of the reservoir and the environment, mostly in both directions.
  • the use of these membranes is, for example, superior to the exclusive use of a check valve in that the membrane can be used to regulate the pressure inside the reservoir for positive and negative pressures.
  • Cartridges according to the invention are preferred, the reservoir comprising a deformable, preferably reversibly deformable, wall section, preferably made of or comprising a film, the film preferably being thermally weldable or friction-weldable, for example polyethylene, and / or a rubber-elastic plastic, which has one or more elastomers which were made from rubbers selected from the group consisting of natural rubber and synthetic rubber, preferably selected from the group consisting of natural rubber, styrene-butadiene rubber, polybutadiene rubber, nitrile rubber, chloroprene rubber, ethylene propylene Diene rubber and silicone rubber, wherein the deformable wall section is preferably designed as a deformable bag which protrudes into the reservoir or protrudes from the reservoir, particularly preferably protrudes into the reservoir, and wherein the volume of the deformable bag without a pressure difference being applied, it is preferably smaller than the volume of the reservoir, particularly preferably less than 50%, very particularly preferably less
  • the reservoir comprising a deformable, preferably plastically deformable, ie not reversibly or not completely reversibly deformable, wall section, preferably comprising a film, for example comprising polyethylene or one or more other films, which are preferably thermally weldable is or are.
  • the deformable wall section is preferably designed as a deformable bag, preferably as a plastically deformable bag, which protrudes into the reservoir or protrudes from the reservoir, particularly preferably protrudes into the reservoir, and wherein the volume of the bag is preferably less than without a pressure difference the volume of the reservoir, particularly preferably less than 50%.
  • Corresponding cartridges according to the invention are preferred because it is possible with a corresponding deformable wall section, preferably made of flexible material, to counteract an overpressure or underpressure prevailing inside the reservoir by deforming the deformable wall section in such a way that the volume of the interior space is decreased or increased.
  • reversibly deformable wall sections are particularly preferred, ie wall sections which can be at least predominantly, preferably completely, elastically deformed and at least predominantly, preferably completely, return to their initial state after the pressure difference has ceased. This makes it possible to compensate for variable pressure fluctuations as required.
  • a wall section which is aligned with the rest of the wall of the reservoir and which is designed to be deformable by choosing a suitable flexible material and / or by choosing a sufficiently thin wall thickness.
  • the area of corresponding sections often has to be dimensioned too small in order to allow sufficient deformation while maintaining the liquid-tight property, which could significantly compensate for the pressure fluctuations occurring during operation.
  • the volume additionally available due to deformation is usually too small in these systems to completely prevent a negative influence of pressure fluctuations on the liquid supply to the heating unit.
  • the deformable wall section is designed as a deformable, preferably reversibly deformable, bag which protrudes into the reservoir or protrudes from the reservoir.
  • This deformable bag is exposed to the external pressure on the side facing away from the interior and can be expanded or compressed as a function of the pressure fluctuations occurring in the interior of the reservoir in order to compensate for them.
  • Whether the bag is compressed or expanded as a result of an increase or decrease in pressure depends on whether the bag protrudes into the reservoir or protrudes from the reservoir. For example, an increase in pressure inside the reservoir with a flexible bag protruding into it leads to a compression of the bag, with simultaneous, pressure-free escape of air on the side of the bag facing the environment.
  • the reversibly deformable bag protrudes into the interior of the reservoir, which is not only for optical reasons.
  • the arrangement in the interior of the reservoir makes it easier to protect the bag from damage, as can occur, for example, when it comes into contact with foreign objects.
  • this also means that since the bag should be at least partially expanded when the cartridge is being filled, in order to allow sufficient deformation without coming out of the reservoir to be pushed out that the volume available in the interior of the reservoir for the liquid to be evaporated is reduced.
  • a possible manufacturing method can preferably include the following steps: shaping a thermoplastic film strand, wherein a plurality of open bag sections is formed, welding the shaped film strand with the plurality of open bag sections with a second film, such that the bag sections with the second film together a plurality of preferably closed bubbles on the film strand, punching out the bubbles from the film strand.
  • the second film can have a greater thickness than the thickness of the film strand.
  • the shaping is preferably carried out by deep drawing or related processes.
  • the step of fastening a plastic part preferably a rigid plastic part, for example a frame, a receptacle or a flange
  • the step of fastening a plastic part can be carried out on the bubbles produced in the manufacturing process and present in the film strand, with the fastening preferably taking place by thermal welding or friction welding.
  • the bubbles can be punched out with the plastic part after the step of fastening the plastic part.
  • the bladders produced by this exemplary method can be mounted in a cartridge according to the invention as follows: Arranging at least one bladder in or outside of a reservoir, the bladder covering a passage that provides a communicating connection between the interior of the reservoir and one with the Area outside the reservoir in contact with ambient pressure,
  • the opening can preferably be carried out by perforating the bladder, for example piercing the bladder with a needle or another suitable, pointed object.
  • the section of the bladder with the second film is preferably designed to be flat or to correspond to the area of the passage, covers the passage and is welded there, optionally together with the plastic part or independently thereof. More preferably, the bladder or the plastic part can be welded flat in the area of the passage. Alternatively, the bladder can also only be welded to the reservoir along a closed, circumferential contour around the passage.
  • the bag and / or the volume enclosed by the bag can preferably change, preferably reversibly, ie elastically, or completely or partially, at differential pressures between the interior of the reservoir and the ambient pressure of less than 10 hPa, preferably less than 5 hPa not reversible, ie plastic, preferably at least not completely reversible.
  • This change in volume preferably takes place on the basis of the change in the pressure difference and is essentially free of restoring forces generated by the material of the bag.
  • the volume of the deformable wall section in the range of 30 to 90% of the initial volume of the reservoir, preferably 40 to 80%, particularly preferred when a pressure difference of 38 kPa is applied 50 to 70%. This ensures that even when the reservoir is almost completely emptied by the deformable wall section, sufficient compensation volume can be made available without the deformable wall section being able to take up so much space that the remaining liquid can no longer reach the removal opening unhindered.
  • Cartridges according to the invention are very particularly preferred, wherein the reservoir comprises two or more elements for pressure regulation, preferably two, and / or wherein the reservoir comprises two or more different elements for pressure regulation, preferably two, and / or wherein the reservoir comprises two or more Elements for pressure regulation, preferably two, which are arranged on the same or on different sides of the reservoir, preferably on the same sides.
  • the preferred cartridges are particularly preferred because the combination of two or more elements, in particular two or more different elements, allows the characteristics of the pressure regulation to be specifically adapted to the requirements arising in the respective area of use, whereby in particular existing weaknesses of the individual elements for pressure regulation can be compensated in a synergistic manner.
  • the check valve which does not offer a solution for excess pressures in the interior of the reservoir, with a deformable wall section or a membrane that enables this pressure regulation.
  • the non-return valve represents a particularly robust and reliable solution in order to provide large amounts of gas into the interior space, even for a short time, in the event of doubt, such as, for example, the membrane cannot in some cases.
  • a membrane is particularly favorable, in particular for cushioning small pressure changes, whereby it is advantageous to protect the membrane from mechanical stress by combining it with a check valve or a deformable wall section, which can react particularly quickly to large changes in pressure.
  • the combination of a check valve with a deformable wall section is particularly advantageous because the maximum expansion volume of the bag and thus its space requirements in the interior of the reservoir do not have to be provided so large that even strong negative pressures can be compensated. When stronger negative pressures occur, additional gas can penetrate into the interior through the check valve, so that a particularly strong expansion of the deformable wall section is not necessary.
  • cartridges according to the invention are preferred, wherein the reservoir comprises a non-return valve and a gas-permeable but liquid-impermeable membrane, and / or wherein the reservoir comprises a non-return valve and a deformable wall section, preferably a reversibly deformable bag, and / or wherein the reservoir comprises a gas-permeable but liquid-impermeable Membrane and a deformable wall portion comprises.
  • Cartridges according to the invention are preferred, the one or more elements for pressure regulation being arranged in the wall of the reservoir which, on average, has the greatest distance from the removal opening, and / or wherein the distance between the discharge opening and the one or more elements for pressure regulation is greater than the mean diameter of the discharge opening.
  • Corresponding cartridges are preferred because in typical vaporizer systems it can be assumed that the heating unit and / or the wick material are arranged in the vicinity of the removal opening and / or even protrude through this into the interior of the reservoir.
  • the liquid can be supplied to the wick material without restriction and that the contact surface between the wick material and the liquid is as large as possible. This can in principle be impaired by gas bubbles that penetrate through a nearby non-return valve or by a deformable wall element that is expanding rapidly in the vicinity. It is therefore advantageous not to provide the elements for pressure regulation in the vicinity of the wick material, because the entering gas or the expanding deformable wall section cannot block and / or occupy the contact surface between the liquid and the wick material.
  • typical vaporizer systems are regularly designed in such a way that the removal opening is covered with liquid when the steaming is intended to be used. Accordingly, in preferred cartridges it is significantly easier to realize that the elements for pressure regulation are not covered by liquid at the moment of use and that there is a smooth gas exchange, especially with the check valve and the membrane, or an expansion that is not restricted by the composition, in particular in the case of the deformable wall section, is possible.
  • Cartridges according to the invention comprising a composition in the reservoir, the composition comprising at least one active ingredient component, at least one first carrier substance boiling higher than the active ingredient component and at least one second carrier substance boiling lower than the active ingredient component, the active ingredient component preferably nicotine, tetrahydrocannabinol, cannabidiol or substances of the corresponding substance classes and the composition preferably also comprises one or more solvents selected from the group consisting of 1,2-propanediol, glycerol and water.
  • Corresponding cartridges according to the invention are preferred because the provision of already filled cartridges makes it possible to provide disposable parts which the user of corresponding vaporizer systems only has to combine with a reusable part in order to generate a functioning vaporizer system.
  • the composition defined above has proven to be particularly advantageous.
  • the invention also relates to an evaporator unit, comprising a cartridge according to the invention, additionally comprising a heating unit with a wick material and with an electrical heating element, which is arranged such that the wick material is arranged in the removal opening and / or covers the removal opening and that liquid from the Reservoir can reach the electrical heating element via the wick material.
  • an evaporator unit according to the invention which is suitable for evaporating a composition stored in the reservoir.
  • the wick material is arranged in the removal opening or covers the removal opening in such a way that liquid can reach the electrical heating element from the reservoir via the wick material.
  • the electrical heating element is formed, for example, by a heating coil through which the wick material is passed, the two ends of which protrude through the removal opening into the liquid reservoir. When filled, the wick material soaks up the composition to be evaporated due to the capillary effect and accordingly has pores or capillaries filled with liquid.
  • the removal opening is regularly filled or covered so tightly with the wick material that no fluid-conducting connection is possible between the interior of the reservoir and the exterior of the reservoir past the wick material. Accordingly, liquid from the reservoir can only reach the electrical heating element via the wick material reach.
  • this has the effect that pressure regulation via the removal opening is not possible or only possible to a limited extent, so that a negative pressure inside the reservoir means that insufficient composition reaches the heater chip via the wick material, whereas overpressure in the reservoir does can lead to the composition being transported to the heating unit in an undesirably large amount through the wick material. In both cases the evaporation result would be impaired.
  • This disadvantageous effect is suppressed in evaporator units according to the invention which comprise a cartridge according to the invention, since the one or more elements for pressure equalization can advantageously equalize an overpressure or underpressure in the interior of the reservoir.
  • the electrical heating element being a wire coil or a heater film or a plate-shaped heater chip, preferably a heater film or a plate-shaped heater chip, particularly preferably a plate-shaped heater chip made of a doped or undoped semiconductor material, which is traversed by a large number of microchannels, which provide a fluid-conducting connection between the side of the heater chip facing the wick material and a side of the heater chip facing an air duct (36).
  • wick-coil systems in which the electrical heating element is formed by a wire coil, are currently the most common systems for evaporator units and are at least advantageous to the extent that they are technologically comparatively simple and regularly easy and inexpensive to manufacture.
  • a disadvantage of spiral wick systems is that the reproducibility of the evaporation process and the quality of the resulting aerosol are sometimes felt to be disadvantageous.
  • new technologies have been developed in which a plate-shaped heater chip or a heater foil can be used as an electrical heating element, which can be covered with the wick material and, if necessary, fixed to a rigid carrier. It is known from the prior art that corresponding Heater foils or plate-shaped heater chips lead to a particularly efficient, controllable and reproducible evaporation process and thereby generate an aerosol of particularly high quality, which many consumers find particularly pleasant.
  • the heating unit made of the heater foil or the plate-shaped heater chip and the wick material are usually placed on the withdrawal opening of the reservoir in these structures, with sealing elements creating a fluid-tight connection so that liquid and gases from the interior of the reservoir only pass through the withdrawal opening and exclusively leak through the wick material and the heating unit.
  • the heating unit comprising sealing elements for enclosing the electrical heating element and being fluid-tightly connected to the reservoir at the withdrawal opening so that liquid and / or gas can exit from the interior of the reservoir through the withdrawal opening exclusively through the heating unit.
  • Corresponding evaporator units according to the invention are preferred because the general structure has proven to be particularly powerful and robust in practice.
  • these systems in which the removal opening is connected to the heating unit in a fluid-tight manner and thus closed in a fluid-tight manner apart from the passage through the electrical heating element, are particularly susceptible to the occurrence of overpressures or underpressures. This is due to the fact that the pressure equalization through the removal opening is not only impaired by the wick material, but also the heating unit represents a wide barrier for the pressure equalization. Accordingly, these evaporator units are also preferred because the technical effect of the configuration according to the invention is particularly noticeable in them.
  • Evaporator units are preferred, the electrical heating element and / or the wick material being designed in such a way that they can operate up to a pressure difference between the internal pressure in the reservoir and the external pressure of 1 kPa, preferably 2 kPa, particularly preferably 3 kPa, do not allow any liquid to pass through the removal opening and through the heating element.
  • the inventors' own tests have shown that it is particularly advantageous to design the electrical heating element and / or the wick material in such a way that, at least in the case of small pressure differences between the interior of the reservoir and the environment, no liquid can pass through the removal opening through the heating element will.
  • the person skilled in the art can adjust this setting, for example, by choosing suitable pore sizes for the wick material.
  • this setting can be made by setting the diameter of the microchannels. In these microchannels or pores running through the heater chip, the surface tension of the liquid results in a resistance to the escape of the liquid, which at least in the case of small pressure differences between the internal pressure in the reservoir and the external pressure prevents unwanted leakage of the liquid.
  • Corresponding evaporator units are particularly preferred because the resulting basic tolerance of the system against pressure fluctuations inside the reservoir makes it possible to design the elements for pressure regulation to be less sensitive, without the liquid supply to the electrical heating element being excessively impaired. This makes it possible that the advantageous effect of the invention is also achieved if the selected element for pressure regulation only leads to a pressure equalization from a higher pressure difference, for example when using a check valve, and / or possibly reacts more slowly to pressure changes, as it does can occur, for example, in certain membranes.
  • Evaporator units according to the invention are preferred, the reservoir being cylindrical or cuboid and the removal opening being arranged on a chimney which, starting from one of the base surfaces of the cylinder or cuboid, extends into the interior of the cylinder or cuboid, preferably through the entire reservoir .
  • the removal opening is quasi in the interior of the reservoir, from where a vent extends to the outside of the Reservoir extends out.
  • a corresponding structure can be obtained, for example, by combining a cylindrical reservoir made of plastic or metal, which has a recess on each of its two base surfaces, with a plastic or metal tube with a removal opening, which is inserted into the first recess and through the Cylinder is passed through the second recess until it is fixed in this position.
  • Corresponding evaporator units are particularly advantageous in the context of the present invention because this creates a section of the reservoir in the reservoir to the side of the chimney, on the side facing away from the extraction opening, in which elements for pressure regulation can be arranged particularly favorably because the extraction opening is adversely affected is excluded by the elements for pressure regulation, for example by a reversibly deformable bag changing its volume or by the air flowing in through a check valve.
  • the invention also relates to an evaporator system for evaporating a composition, preferably for use in a portable evaporation device, preferably in a hand-held device, particularly preferably in an e-cigarette or an inhaler for medical purposes, comprising a cartridge according to the invention and a heating unit or an evaporator unit according to the invention and at least one electrical energy source for operating the electrical heating element.
  • the evaporator system in two parts, the cartridge being arranged in a first part, a so-called disposable part, and the electrical energy source being arranged in a second part, a so-called reusable part.
  • a filled cartridge ie with a liquid composition in the reservoir
  • the disposable part can be removed and replaced with a new, filled cartridge in order to immediately restore the vaporizer system to usability.
  • the electrical heating element can be arranged either in the first part or in the second part, i.e. it is either part of the disposable part or can be used several times together with the electrical energy source.
  • a third part can also be provided in the evaporator system according to the invention, which part comprises the heating unit and / or further elements, for example sensors.
  • the cartridge according to the invention being arranged in a first part, in particular a disposable part, and the electrical energy source being arranged in a second part, in particular a reusable part, the first part and the second part being reversibly and non-destructively detachable are connected to one another, so that there is an electrical contact between the electrical energy source and the electrical heating element and a fluid-conducting contact between the reservoir and the electrical heating element.
  • evaporator systems additionally comprising a third part, wherein the heating unit is arranged in the first part or in the second part or in the third part, the first part, the second part and the third part being connected to one another in a reversible and non-destructive detachable manner, so that there is electrical contact between the electrical energy source and the electrical heating element and fluid-conducting contact between the reservoir and the electrical heating element.
  • two parts that the user does not use normal forces ie forces that can be applied with the hands, possibly using a tool such as a screwdriver
  • reversible and non-destructive can be detached from each other and reconnected, not viewed as reversibly and non-destructively detachable connected to each other.
  • the term reversible and non-destructively releasable relates to the component used for connection and / or fastening, for example the screw thread. It cannot be ruled out that there may be conscious changes in the first and / or second part before or during the connection of the first and second part, but that this does not affect the connectivity and detachability.
  • the second part comprises, for example, a mandrel or a similar structure with which a protective film attached to the first part is deliberately punctured during connection.
  • Evaporator systems according to the invention are preferred, one or more elements for pressure regulation being arranged in the cartridge in such a way that they are not arranged on or in the outer shell of the evaporator system.
  • Corresponding evaporator systems according to the invention have proven particularly useful in practice and proven to be advantageous because it is advantageous to arrange the elements for pressure regulation in the cartridge in such a way that they are not arranged on the outer shell of the evaporator system when the evaporator system according to the invention is preserved.
  • the electrical energy source is an energy store, preferably a battery or a fuel cell, particularly preferably a lithium ion battery, in particular a lithium polymer accumulator, and / or additionally comprising an electronic control device for controlling the electrical heating unit, and / or additionally comprising a or more sensor units, wherein the one or more sensor units are selected from the group consisting of
  • Radiation sensors in particular infrared sensors, temperature sensors, pressure sensors, flow sensors, current measuring devices, voltage measuring devices, position sensors, mass flow sensors, volume flow sensors, level sensors for determining the level in the tank, optical sensors, chemical sensors, chemical analysis devices.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a cross section through a cartridge known from the prior art
  • FIG. 2 shows the schematic representation of a cross section through a cartridge according to the invention
  • 3 shows the schematic representation of a cross section through a cartridge according to the invention in a first preferred embodiment
  • 4 shows the schematic representation of a cross section through a cartridge according to the invention in a second preferred embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a cross section through a cartridge according to the invention in a third preferred embodiment
  • FIG. 6 shows the schematic representation of a cross section through a cartridge according to the invention in a fourth preferred embodiment
  • 7 shows the schematic representation of a cross section through a cartridge according to the invention in a fifth preferred embodiment
  • FIG. 8 shows the schematic representation of a cross section through an evaporator unit according to the invention in a first preferred embodiment
  • FIG. 9 shows the schematic representation of a cross section through an evaporator unit according to the invention in a second preferred embodiment
  • FIG. 10 shows the schematic representation of a cross section through an evaporator unit according to the invention in a third preferred embodiment
  • FIG. 11 shows the schematic representation of a cross section through an evaporator unit according to the invention in a fourth preferred embodiment
  • FIG. 12 The schematic representation of a cross section through an evaporator unit according to the invention in a fifth preferred embodiment.
  • 1 shows a schematic representation of a cross section through a cartridge 10 known from the prior art.
  • this cartridge 10 consists of a rigid reservoir 12, the wall 20 of which encloses the interior 18 of the reservoir 12.
  • the illustrated reservoir 12 has a removal opening 14 which is set up to enable the removal of liquid from the reservoir 12.
  • the reservoir 12 known from the prior art has no elements for pressure regulation 16 in the interior 18 of the reservoir 12.
  • the removal opening 14 in an evaporator unit is filled with a wick material and / or closed with a heating unit 30 during operation, so that a pressure difference occurring inside 18 of the reservoir 12 compared to the ambient pressure disadvantageously leads to over the wick material does not reach the electrical heating element in sufficient composition or the liquid is transported to the heating unit 30 in an undesired amount through the wick material.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a cross section through a cartridge 10 according to the invention, the rigid reservoir 12 of which in the wall 20 comprises an element for pressure regulation 16 in the interior 18 of the reservoir 12.
  • the cartridge 10 according to the invention shown in FIG. 2 is formed in the present example exclusively by the rigid reservoir 12, which in the present example consists of plastic and is made in one piece.
  • the reservoir 12 shown does not have any sections in which intentional leaks occur when the internal pressure increases. This means that the reservoir 12 is tight at an internal pressure of 120 kPa and an external pressure of 100 kPa away from the extraction opening 14, so that even at these increased pressures, liquid can escape from the reservoir 12 exclusively through the extraction opening 14.
  • the removal opening 14 shown is designed to be filled with a wick material (not shown) and / or to be closed with a heating unit (not shown).
  • the element for pressure regulation 16 is arranged in the wall 20 of the reservoir 12 which is at the greatest distance from the discharge opening 14, the distance between the discharge opening 14 and the element for pressure regulation 16 is larger than the mean diameter of the removal opening 14, so that the disturbances possibly exerted by the element for pressure regulation 16, for example the entry of gas or the expansion of a deformable wall section, the area of the cartridge 10, which is crucial for the constant and controlled supply of liquid to the heating element 30, so little influence as much as possible.
  • the reservoir 12 comprises, arranged in the wall 20 of the reservoir 12, a check valve 16a, which in the present example is a lip valve.
  • This lip valve is designed in such a way that it opens in the event of a negative pressure in the reservoir with respect to the external pressure of 1 kPa or more and thus enables pressure equalization with the environment.
  • the check valve 16a consists of a flexible material which comprises an elastomer which has been produced from silicone rubber. Since the check valve 16a only opens when there is a pressure difference between the interior 18 of the reservoir 12 and the environment, no leakage of liquid from the reservoir 12 is possible through the check valve 16a.
  • the element for pressure regulation 16 being a gas-permeable but liquid-impermeable membrane 16b.
  • the gas-permeable but liquid-impermeable membrane 16b is a hydrophobic plastic membrane made of polytetrafluoroethylene, which is designed so that it allows the passage of water, 1,2-propanediol and glycerine from the Prevents interior 18 of the reservoir 12 and allows the exchange of gas between the interior 18 of the reservoir 12 and the environment in both directions.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a cross section through a cartridge 10 according to the invention in a further preferred embodiment.
  • the element for pressure regulation 16 is formed in this embodiment by a deformable wall section 16c, the embodiment shown in FIG. 3 comprising a reversibly deformable wall section 16c which is designed as a deformable bag which protrudes into the reservoir 12.
  • the side of the deformable wall section 16c facing away from the interior 18 of the reservoir 12 is in contact with the environment and accordingly has ambient pressure, but without allowing liquid to escape through the deformable wall section 16c.
  • the deformable wall section 16c can be compressed or expanded as a function of a pressure change in the interior space 18 of the reservoir 12 in order to compensate for this pressure change.
  • FIGS. 6 and 7 each show a schematic representation of a cross section through two particularly preferred embodiments of the cartridge 10 according to the invention, which are particularly advantageous because they show the synergistic interaction of two elements for pressure regulation 16, which are different elements for pressure regulation 16 acts, which are arranged on different sides of the reservoir 12, ie in different sections of the wall 20, enable.
  • the reservoir 12 each includes a check valve 16a, which is provided in particular to quickly compensate for large negative pressures occurring in the interior 18 of the reservoir 12 in order to support or protect the respective second element for pressure regulation 16 and with regard to the Design of the second element for pressure regulation 16 to obtain greater flexibility.
  • the second element for pressure regulation 16 is shown as a deformable wall section 16c, which is designed as a reversibly deformable bag, or designed as a membrane which is gas-permeable but liquid-impermeable.
  • These elements for pressure regulation 16 each have the task of compensating for pressure increases occurring in the interior 18 of the reservoir 12 and of absorbing negative pressures which are not sufficient to cause the check valve 16a to open.
  • the evaporator unit 34 each comprises a cartridge 10 according to the invention.
  • the reservoir 12 is designed in two parts and is cylindrical.
  • a chimney 40 which surrounds an air duct 36, extends through the reservoir 12 from one base area 42 to the other.
  • the evaporator unit 34 according to the invention comprises a heating unit 30 which comprises a wick material and an electrical heating element (not shown).
  • the heating unit 30 is arranged in the removal opening 14 so that the wick material is arranged in the removal opening 14 and so that the liquid can reach the electrical heating element from the reservoir 12 via the wick material.
  • the electrical heating element used is a plate-shaped heater chip made of a doped semiconductor material, which is traversed by a plurality of microchannels, which form a fluid-conducting connection between the side of the heater chip facing the wick material and a side facing the air duct 36 of the heater chip.
  • the disclosed heating unit 30 comprises sealing elements for enclosing the electrical heating element and is fluid-tightly connected to the reservoir 12 at the removal opening 14 so that liquid and gas from the interior 18 of the reservoir 12 through the removal opening 14 exclusively through the heating unit 30, ie the wick material and the electric heating element, can pass through.
  • the electrical heating element and the wick material are designed together so that they are up to a pressure difference between the internal pressure in the reservoir 12 and the External pressure of 1 kPa do not allow any liquid to pass through the removal opening 14 and through the heating element 30.
  • the evaporator units 34 according to the invention disclosed in FIGS. 8 to 10 each have an element for pressure regulation 16, which is a check valve 16a, namely a lip valve, a gas-permeable but liquid-impermeable membrane 16b, namely a hydrophobic membrane made of polytetrafluoroethylene or a deformable membrane Wall section 16c, namely a deformable bag made of rubber-elastic plastic, which comprises an elastomer which was produced from silicone rubber and which protrudes into the reservoir 12.
  • a check valve 16a namely a lip valve
  • a gas-permeable but liquid-impermeable membrane 16b namely a hydrophobic membrane made of polytetrafluoroethylene or a deformable membrane Wall section 16c, namely a deformable bag made of rubber-elastic plastic, which comprises an elastomer which was produced from silicone rubber and which protrudes into the reservoir 12.
  • the evaporator units 34 according to the invention which are shown in FIGS. 11 and 12, each comprise two of the aforementioned elements for pressure regulation 16, which are arranged on different sides of the reservoir 12, FIG. 11 showing the combination of a check valve 16a a gas-permeable but liquid-impermeable membrane 16b, while FIG. 12 shows the combination of a check valve 16a with a deformable wall section 16c.
  • the cartridges 10 according to the invention shown in FIGS. 2 to 6 can also be used together with a heating unit 30 in evaporator systems according to the invention like the evaporator units 34 according to the invention disclosed in FIGS electric heating element can be combined.
  • the evaporator units 34 disclosed in FIGS. 8 to 12 are designed as disposable parts that can be reversibly and non-destructively detachably connected to a reusable part comprising the electrical energy source, so that not only fluid-conducting contact between the reservoir 12 and the electrical heating element in the heating unit 30, but also an electrical contact between the electrical energy source and the electrical heating element.
  • the cartridges 10 according to the invention are filled in their interior 18 with a composition to be vaporized, the composition comprising, for example, nicotine, 1,2-propanediol, glycerine and water. After filling, the removal opening 14 is closed, for example with a plastic film.
  • the cartridge 10 according to the invention is reversibly and non-destructively detachably connected to the reusable part, so that the removal opening 14 is arranged in contact with the heating unit 30.
  • the elements for pressure regulation 16 are each arranged in the cartridge 10 in such a way that they are not arranged on or in the outer shell of the evaporator system when installed in an evaporator system. This is due to the fact that the base surfaces 42 are provided for connecting the evaporator unit 34 according to the invention to the reusable part, or in practice are covered with a mouthpiece which shields the elements for pressure regulation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kartusche für eine elektronische Zigarette oder einen tragbaren Inhalator, umfassend ein starres Reservoir zur Aufnahme einer Flüssigkeit, wobei das Reservoir zumindest eine Entnahmeöffnung aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Entnahme von Flüssigkeit aus dem Reservoir heraus zu ermöglichen, wobei das Reservoir ein oder mehrere Elemente zur Druckregulierung im Inneren des Reservoirs umfasst, die in der Wand des Reservoirs angeordnet sind und durch die kein Austritt von Flüssigkeit aus dem Reservoir heraus möglich ist, wobei die Elemente zur Druckregulierung unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Liste bestehend aus Rückschlagventilen, gasdurchlässigen aber flüssigkeitsundurchlässigen Membranen und deformierbaren Wandabschnitten.

Description

Kartusche mit Druckausaleich
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Kartusche für eine elektronische Zigarette oder einen tragbaren Inhalator, eine Verdampfereinheit umfassend eine entsprechende Kartusche sowie ein Verdampfersystem umfassend eine entsprechende Kartusche oder eine entsprechende Verdampfereinheit.
Es ist bekannt, dass die Verabreichung von Wirkstoffen über die Atemwege eine effiziente und schonende Methode ist, dem menschlichen oder tierischen Körper physiologisch wirksame Substanzen zuzuführen, wobei insbesondere klassische Inhalationsverfahren, die mit teils einfachsten Mitteln ausgeführt werden können, sowohl in der Schulmedizin als auch unter den Hausmitteln einen festen Platz gefunden haben. In diesen einfachen Verfahren wird üblicherweise ein in einer Trägersubstanz, häufig Wasser, gelöster Wirkstoff in einem Topf oder vergleichbaren Gefäß erhitzt und dadurch zum Verdampfen gebracht.
Bedingt durch die in vielen Teilen der Welt vermehrt kritische Bewertung des Rauchens, also des Konsums von Tabakprodukten durch deren Verbrennung und Inhalation des entstehenden Rauchs, beispielsweise in der Form von Zigaretten oder Zigarren, rückten in den letzten Jahren solche Inhalationsverfahren vermehrt in den Fokus des Interesses, bei denen die physiologisch wirksamen Stoffe, die traditionell über den Tabakrauch aufgenommen werden, stattdessen über entsprechende Inhalationsverfahren appliziert werden, die ohne das Verbrennen von Tabak auskommen, wobei dieses Konzept auch auf weitere Wirkstoffe übertragen wird, die ansonsten häufig mit Rauchen assoziiert werden, wie beispielsweise Tetrahydrocannabinol (THC) und andere Cannabinoide. Die fortschreitende technische Entwicklung hat es dabei ermöglicht, entsprechende Verdampfersysteme zum Verdampfen einer wirkstoffhaltigen Zusammensetzung immer kleiner auszulegen, so dass heute Verdampfersysteme verfügbar sind, mit denen die Verdampfung einer wirkstoffhaltigen Zusammensetzung in einem tragbaren Handgerät erfolgen kann, welches beispielsweise die Größe einer traditionellen Zigarre oder einer Zigarettenschachtel aufweisen kann. Die prominentesten Anwendungen für entsprechende Verdampfersysteme sind elektronische Zigaretten und Inhalatoren für medizinische Anwendungen.
Die heute bekannten Systeme basieren zumeist darauf, dass eine in einem Reservoir gespeicherte Zusammensetzung, welche regelmäßig als Liquid bezeichnet wird, durch mehr oder weniger kontrollierte Zuführung thermischer Energie aus einem Heizelement, z.B. einer Glühwendel, verdampft wird, so dass der Nutzer die entstehenden Dämpfe inhalieren kann.
Hierfür ist es notwendig, dass die für die Verdampfung vorgesehene Flüssigkeit in dem Reservoir sicher und über möglichst lange Zeiträume gelagert werden kann. Aus dem Stand der Technik ist hierfür der Einsatz geschlossener Kartuschen bekannt. Für eine praktische Handhabung weisen diese Kartuschen regelmäßig ein starres Reservoir zur Aufnahme der Flüssigkeit auf, welches in der Verdampfereinheit durch eine Heizeinheit mit einem Dochtmaterial zumindest soweit verschlossen ist, dass die Flüssigkeit nicht ohne äußere Einwirkung am Dochtmaterial vorbei aus dem Reservoir austreten kann. Diese Reservoire haben damit praktisch ein vorgegebenes, abgeschlossenes Volumen zur Speicherung der Flüssigkeit zur Verfügung. Zusätzlich zur Flüssigkeit umfasst dieses Volumen nach dem Befüllen und dem Verschließen zumeist eine Gasblase, deren Volumen im Zuge der fortschreitenden Verdampfung der Flüssigkeit zunimmt.
Mit sich ändernden Umgebungsbedingungen, insbesondere Druck und Temperatur, erfahren sowohl die Flüssigkeit als auch das Gas im Reservoir eine Volumen- bzw. Druckänderung. In dem in der Praxis zumeist relevanten Bereich von Drücken zwischen 70 kPa bis 108 kPa und Temperatur zwischen -20 °C bis +60 °C kann die Flüssigkeit als annähernd inkompressibel angenommen werden, unterliegt jedoch einer temperaturabhängigen Volumenausdehnung von bis zu ca. 5 %.
Das Verhalten des im Reservoir enthaltenen Gases, zumeist Luft in Mischung mit geringen Mengen des über der Flüssigkeit stehenden Dampfes, kann über das ideale Gasgesetz angenähert werden, wobei vereinfachend von reiner Luft ausgegangen wird: p V = m RS,L T.
Wobei p der Druck im Reservoir, V das Gasvolumen im Reservoir, m die Masse des Gases im Reservoir, RS,L die spezifische Gaskonstante von Luft (RS,L =
287 J/(kg*K)) und T die Temperatur des enthaltenen Gases ist. Zwischen den in der Praxis für elektronische Zigaretten und medizinische Inhalatoren realistisch anzunehmenden Extremfällen der Umgebungsbedingungen zwischen 70 kPa Druck bei 60 °C (z.B. auf der Zugspitze oder im Flugzeug mit langanhaltender direkter Sonneneinstrahlung auf die Kartusche) und 108 kPa Druck bei -20°C (z.B. in einem kalten Hochdruckgebiet) würde eine vorgegebene Luftmenge sein Volumen druckänderungsfrei um etwa den Faktor 2 ändern.
In einem abgeschlossenen, starren Reservoir, d.h. in einem konstanten Volumen, kann der Wechsel zwischen diesen Extremfällen beispielsweise zu einer Druckänderung von fast 30 kPa führen. Selbst bei weniger extremen Situationen kann es durch eine Änderung von Druck und/oder Temperatur gegenüber den zum Abfüllzeitpunkt herrschenden Bedingungen zu signifikanten Druckunterschieden zwischen dem Inneren der Kartusche und dem Umgebungsdruck kommen.
Da zumindest die Möglichkeit bestehen muss, dass Flüssigkeit aus dem Reservoir zu der Heizeinheit gelangen kann, damit es an dieser Stelle verdampft und in Aerosol überführt werden kann, welches zum Benutzer gelangt, besteht in dem ansonsten abgeschlossenen, starren Reservoir nur eine Möglichkeit zur Druckregulierung, die darin besteht, Flüssigkeit über die entsprechende Zuführung, zumeist ein Dochtmaterial, in Richtung der Heizeinheit zu drücken, oder Flüssigkeit aus dem Dochtmaterial zurück in das Reservoir, d.h. von der Heizeinheit weg, zu saugen. Diese beiden Fälle sind nachteilig, da eine gleichmäßige Zufuhr von Flüssigkeit an die Heizeinheit eine zentrale Anforderung an Verdampfersysteme darstellt, die ein gleichbleibendes Dampferlebnis und/oder eine kontrollierte und gleichbleibende Zufuhr medizinischer Wirkstoffe sicherstellen sollen.
Ein sich im Reservoir entwickelnder Unterdrück kann beispielsweise die Zufuhr an Flüssigkeit beeinträchtigen und diese im schlimmsten Fall sogar verhindern, sodass zu wenig oder gar kein Aerosol erzeugt wird (sog. „Dry Puff). Da jeder Verdampfungsvorgang die Menge an Flüssigkeit im Reservoir weiter verringert, kann es dadurch dazu kommen, dass keine Flüssigkeit mehr verdampft wird, obwohl noch hinreichend Flüssigkeit im Reservoir vorliegt.
Ein unerwünschtes Fierausdrücken der Flüssigkeit in Richtung der Heizeinheit kann hingegen dazu führen, dass zu viel Aerosol generiert wird oder dass das Aerosol ungewollt große Mengen unverdampfter Flüssigkeit mitführt. Bei herkömmlichen Docht-Wendel-Systemen wird der Übergang zwischen dem Reservoir und der Heizeinheit zumeist durch eine Klemmung des Dochtmaterials hergestellt. Da das Dochtmaterial zumeist kapillar und an der Oberfläche rau beschaffen ist, kann die Dichtung in diesem Bereich regelmäßig nicht derart großen Druckdifferenzen standhalten, wie sie auftreten können. Auch moderne Aufbauten, die beispielsweise einen plattenförmigen Fleizerchip als elektrisches Fleizelement einsetzen, welcher von einer Vielzahl von Mikrokanälen durchzogen ist und zusammen mit dem Dochtmaterial und geeigneten Dichtungselementen an der Entnahmeöffnung angeordnet ist, setzen einem Auslaufen bei Überdruck im unterliegenden Reservoir durch die in den Mikrokanälen des Fleizerchips wirkende Oberflächenspannung der Flüssigkeit nur einen begrenzten Widerstand entgegen.
Aus diesem Grund führt die Verwendung abgeschlossener Kartuschen mit starren, abgeschlossenen Reservoiren in Verdampfereinheiten regelmäßig zu einer Beeinträchtigung der Verdampfungseigenschaften.
Im Stand der Technik sind zur Lösung dieses Problems bisher keine gänzlich zufriedenstellenden Lösungen verfügbar. In vielen Systemen, vor allem in günstigeren, werden die Nachteile zumeist in Kauf genommen, da ein suboptimales Dampferlebnis und ein Trockenlaufen des Fleizelements vor der vollständigen Leerung des Reservoirs über den Preis kompensiert werden. Bei solchen Systemen aus dem Stand der Technik, die sich mit dem Problem auseinandersetzen, wird bislang nur eine vergleichsweise einfache Lösung eingesetzt. Dabei werden herkömmliche Kartuschen vorsätzlich undicht ausgeführt, sodass es abseits der eigentlichen Entnahmeöffnungen Sollbruchstellen und/oder Undichtigkeiten gibt, durch die bei Überschreiten eines Schwellenwertes des Überdrucks im Inneren des Reservoirs Flüssigkeit austreten kann. Diese Leckage aus dem Reservoir ist gerade bei hochwertigen Produkten jedoch unerwünscht, wobei einige Kartuschenkonzepte aus dem Stand der Technik deshalb noch zusätzliche Zwischenkammern zum Auffangen der ausgetretenen Flüssigkeit vorsehen, welche das Problem jedoch nicht am Ursprung lösen, sondern stattdessen lediglich die Symptome bekämpfen.
Eine alternative Lösung sieht vor, das Reservoir insgesamt nicht starr, sondern vollständig als eine Art Beutel auszulegen, welcher aus einem flexiblen Material besteht und reversibel deformierbar ist, um die im Inneren des Beutels auftretenden Druckschwankungen zu kompensieren. Entsprechende Ausgestaltungen lösen zwar die Druckproblematik, werden aber aus zahlreichen Gründen regelmäßig als nachteilig empfunden. Im Gegensatz zu starren Reservoiren sind diese Beutel regelmäßig schwerer in typischen Verdampfersystemen zu verbauen und erfordern zumeist eine umgebende starre Trägerstruktur, wodurch die Zahl der benötigten Bauteile und der Fertigungsaufwand steigt. Zudem sind entsprechende reversibel deformierbare Beutel zumeist fragil und anfällig für Beschädigungen, beispielsweise beim Kontakt mit Gegenständen oder der Einwirkung durch den Benutzer. Nicht zuletzt hat sich in einigen Fällen eine geringere Endkundenakzeptanz für entsprechender Beutelsysteme gezeigt, wobei insbesondere die Optik und die Haptik des Beutelreservoirs als nachteilig empfunden wurden.
Die übergeordnete Aufgabe der Erfindung war es, eine Kartusche für eine elektronische Zigarette oder einen tragbaren Inhalator, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik behebt oder zumindest vermindert.
Die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es dabei, eine Kartusche mit einem starren Reservoir anzugeben, die in elektronische Zigarette oder einem tragbaren Inhalator verwendet werden kann, und die über einen breiten Bereich von Umgebungsbedingungen hinweg, insbesondere bei besonders hohen oder niedrigen Temperaturen und/oder hohen oder niedrigen Drücken, eine gleichmäßige Zufuhr von Flüssigkeit zur Heizeinheit und damit ein gleichbleibendes Verdampfungsverhalten ermöglich. Die hierfür anzugebende Lösung sollte dabei die Flüssigkeitszufuhr zur Heizeinheit selbst nicht beeinträchtigen. Eine zusätzliche Aufgabe bestand darin, eine Kartusche anzugeben, die dabei eine ungewollte Leckage von Flüssigkeit aus dem Reservoir heraus zuverlässig verhindert. Dabei war es eine Randbedingung, dass das Reservoir der Kartusche im Wesentlich starr ausgebildet sein sollte, um eine gute Verarbeitbarkeit zu gewährleisten. Zudem war es eine weitere Aufgabe, eine Kartusche anzugeben, die fertigungstechnisch relativ einfach hergestellt werden kann und die es ermöglicht, eine darin enthaltene flüssige Zusammensetzung möglichst lange und zuverlässig zu lagern. In diesem Zusammenhang war es eine ergänzende Aufgabe der Erfindung ein Be- und Entlüftungskonzept für Kartuschen anzugeben.
Eine sekundäre Aufgabe der Erfindung war es, eine Verdampfereinheit umfassend eine entsprechende Kartusche und ein entsprechendes Verdampfersystem anzugeben.
Die Erfinder haben die Prämisse gewählt, dass die Grundvoraussetzung für eine leckagefreie Kartusche ein bis auf die Entnahmeöffnung vollständig flüssigkeitsdicht abgeschlossenes, im Wesentlichen starres Reservoir für die Aufnahme einer Flüssigkeit sein muss, aus dem auch bei höheren Drücken an keiner Stelle außerhalb der Entnahmeöffnung (d.h. zu einer in einer Verdampfereinheit vorhandenen Heizeinheit hin) Flüssigkeit entweichen kann. Hierbei ist erfahrungsgemäß davon auszugehen, dass die Kartusche im Betrieb von einer Heizeinheit bedeckt ist, welche ein Dochtmaterial und ein elektrisches Heizelement umfasst und die so ausgelegt ist, dass sie zumindest bei sehr kleinen Überdrücken im Inneren des Reservoirs einen Austritt der Flüssigkeit durch die Entnahmeöffnung unterbindet.
Die Erfinder haben erkannt, dass unter diesen Vorgaben zur Lösung der Aufgabe ein oder mehrere Elemente zur Druckregulierung im Inneren des Reservoirs vorgesehen werden müssen, die in der Wand des Reservoirs angeordnet sind und durch die kein Austritt von Flüssigkeit aus dem Reservoir heraus möglich ist, wobei die Erfinder drei mögliche Elemente zur Druckregulierung identifiziert haben, die die Aufgabe bereits für sich genommen ganz oder zumindest teilweise lösen. Hierbei handelt es sich um Rückschlagventile, gasdurchlässigen aber flüssigkeitsundurchlässigen Membranen und deformierbare Wandabschnitte.
Besonders überraschend war, dass die Erfinder herausgefunden haben, dass sich besonders vorteilhafte Kartuschen erhalten lassen, wenn zwei oder mehr der entsprechenden Elemente zur Druckregulierung kombiniert werden, da sich deren Eigenschaften, insbesondere deren Vor- und Nachteile, synergistisch ergänzen.
Die vorstehend genannten Aufgaben werden entsprechend durch Kartuschen, Verdampfereinheiten und Verdampfersysteme gelöst, wie sie in den Ansprüchen definiert sind. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungen.
Solche Merkmale erfindungsgemäßer Kartuschen, Verdampfereinheiten und Verdampfersysteme, die nachfolgend als bevorzugt bezeichnet sind, werden in besonders bevorzugten Ausführungsformen mit anderen als bevorzugt bezeichneten Merkmalen kombiniert. Ganz besonders bevorzugt sind somit Kombinationen von zwei oder mehr der nachfolgend als besonders bevorzugt bezeichneten Kartuschen, Verdampfereinheiten und Verdampfersysteme.
Die Erfindung betrifft eine Kartusche für eine elektronische Zigarette oder einen tragbaren Inhalator, insbesondere einen Inhalator für medizinische Zwecke, umfassend ein starres Reservoir zur Aufnahme einer Flüssigkeit, wobei das Reservoir zumindest eine Entnahmeöffnung aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Entnahme von Flüssigkeit aus dem Reservoir heraus zu ermöglichen, wobei das Reservoir ein oder mehrere Elemente zur Druckregulierung im Inneren des Reservoirs umfasst, die in der Wand des Reservoirs angeordnet sind und durch die kein Austritt von Flüssigkeit aus dem Reservoir heraus möglich ist, wobei die Elemente zur Druckregulierung unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Liste bestehend aus Rückschlagventilen, gasdurchlässigen aber flüssigkeitsundurchlässigen Membranen, und deformierbaren, vorzugsweise reversibel deformierbaren,
Wandabschnitten.
Erfindungsgemäße Kartuschen sind geeignet für den Einsatz in elektronischen Zigaretten oder tragbaren Inhalatoren und umfassen ein starres Reservoir, in welchem die zu verdampfende Flüssigkeit bevorratet werden kann. Der Fachmann ist auf Grundlage seines allgemeinen Fachwissens in der Lage zu bewerten, ob ein Reservoir als starr bezeichnet werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Ausdruck starr dabei insbesondere solche Reservoire, die bei flächiger Anwendung eines Druckes von 200 kPa eine Deformation von 1 % oder weniger, bevorzugt 0,1 % oder weniger, erfahren. Beispiele für starre Reservoire sind dem Fachmann bekannt und umfassen beispielsweise Reservoire, die aus Glas, Metall oder nicht-gummielastischem Kunststoff gefertigt sind.
Erfindungsgemäß weist das Reservoir zumindest eine Entnahmeöffnung auf, die dazu eingerichtet ist, die Entnahme von Flüssigkeiten aus dem Reservoir heraus zu ermöglichen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Reservoire weisen zumeist genau eine solche Entnahmeöffnung auf, durch die in entsprechenden Verdampfereinheiten zumeist ein Dochtmaterial in den Innenraum des Reservoirs eingeführt wird, um durch dieses Dochtmaterial die Flüssigkeit zu einem elektrischen Fleizelement zu befördern, welches außerhalb des Reservoirs angeordnet ist und mit dem Dochtmaterial in Kontakt steht.
Erfindungsgemäß weist das Reservoir ein oder mehrere Elemente zur Druckregulierung im Inneren des Reservoirs auf, die erfindungsgemäß keinen Austritt von Flüssigkeit aus dem Reservoir heraus ermöglichen. Dies bedeutet, dass ein Element, beispielsweise ein unverschlossenes Loch oder ein unverschlossener Spalt, durch welches bzw. welchen Flüssigkeit aus dem Reservoir heraus austreten könnte, kein Element zur Druckregulierung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist. Erfindungsgemäß müssen entsprechende Elemente zur Druckregulierung auch geeignet sein, eine Druckregulierung im Inneren des Reservoirs zu bewirken, d.h. eine auftretende Druckdifferenz gegenüber dem Umgebungsdruck zumindest teilweise, bevorzugt zu mindestens 10 %, besonders bevorzugt zumindest 25 %, auszugleichen.
Die Elemente zur Druckregulierung sind erfindungsgemäß in der Wand des Reservoirs angeordnet, wobei der Ausdruck Wand unabhängig von der Geometrie des Reservoirs auch den Boden oder die Decke des Reservoirs bezeichnen kann. Der Ausdruck „in der Wand des Reservoirs“ meint im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht, dass das Element zur Druckregulierung vollständig in der Wand liegen muss. In Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis ist auch ein Element zur Druckregulierung in der Wand des Reservoirs angeordnet, wenn dieses ganz oder teilweise aus der Ebene der Wand herausragt, beispielsweise, weil es eine in der Wand angeordnete Ausnehmung überdeckt.
Erfindungsgemäß werden die Elemente zur Druckregulierung unabhängig voneinander ausgewählt. Dies bedeutet, dass mehrere unterschiedliche Elemente zur Druckregulierung in den Wänden des Reservoirs angeordnet sein können.
Ein mögliches Element zur Druckregulierung stellen Rückschlagventile dar, die auch als 1-Wege-Ventile bezeichnet werden. Rückschlagventile sind dem Fachmann auf Grundlage seines allgemeinen Fachwissens bekannt und ermöglichen einen Stofftransport in lediglich eine Richtung. Rückschlagventile erlauben immer dann keinen Austritt von Flüssigkeit aus dem Reservoir heraus, wenn diese so in der Wand des Reservoirs angeordnet sind, dass die offene Ventilrichtung von außen in den Innenraum des Reservoirs verläuft, sodass im Falle des Unterdrucks im Inneren des Reservoirs Gas von außen in das Innere des Reservoirs strömen kann, um einen Druckausgleich zu ermöglichen. Der umgekehrte Weg von innen nach außen entspricht dann der Sperrrichtung. Der Fachmann versteht hierbei, dass, da das Ventil nur im Falle einer Druckdifferenz öffnet, auch im Falle des Öffnens des Rückschlagventils kein Austritt von Flüssigkeit aus dem Reservoir durch das Rückschlagventil hinaus möglich ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Element zur Druckregulierung eine gasdurchlässige und dabei flüssigkeitsundurchlässige Membran sein. Entsprechende Membranen sind dem Fachmann auf Grundlage seines allgemeinen Fachwissens vertraut und sind kommerziell erhältlich, da sie beispielsweise in physikalisch-chemischen Trennverfahren oder bei der Fierstellung von Funktionsbekleidung zum Einsatz kommen. Gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membranen können insbesondere im Falle von Wasser als Flüssigkeit beispielsweise durch hydrophobe Membranen gebildet werden. Der Fachmann kann geeignete Membranen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Flüssigkeit auswählen, welche in der Kartusche bevorratet werden soll. Die implizite Anforderung an die Membran ist, dass diese zumindest aus der Richtung des Innenraums des Reservoirs nach außen flüssigkeitsundurchlässig ist und zumindest in eine Richtung, bevorzugt in beide Richtungen, gasdurchlässig ist. Entsprechende Membranen erlauben einen Gasaustausch zwischen dem Inneren des Reservoirs und der Umwelt in zumindest eine Richtung, zumeist jedoch in beide Richtungen, und ermöglichen dadurch den Abbau von Über- und/oder Unterdrücken im Inneren des Reservoirs.
Wiederum zusätzlich oder alternativ kann das Element zur Druckregulierung auch durch einen deformierbaren, vorzugsweise reversibel deformierbaren, Wandabschnitt, vorzugsweise aus flexiblem Material, gebildet werden. Dies bedeutet, dass das an sich starre Reservoir in einer Wand über einen Abschnitt verfügt, der durch die Wahl eines flexiblen Materials und/oder die Ausbildung in einer hinreichend dünnen Schichtdicke nicht als starr bezeichnet werden kann, sondern stattdessen deformierbar ist. Der Ausdruck deformierbar ist für den Fachmann klar und zwanglos qualitativ zu bestimmen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Ausdruck deformierbarer Wandabschnitt insbesondere einen Wandabschnitt, der durch die Wahl des Materials und/oder die Wahl der Schichtstärke so ausgebildet ist, dass er bei Anlegen eines Druckes von 1 kPa um 1 % oder mehr, bevorzugt 5 % oder mehr, besonders bevorzugt 10 % oder mehr, deformiert werden kann, wobei der Wandabschnitt bevorzugt reversibel deformierbar ist. Ein deformierbarer Wandabschnitt ermöglicht einen Ausgleich von im Inneren des Reservoirs auftretenden Über- und Unterdrücken, indem die Druckdifferenz die Deformation des entsprechenden Abschnittes verursacht und somit das im Reservoir zur Verfügung stehende Volumen nach Bedarf vergrößert oder verkleinert, wodurch eine Drucksenkung oder Druckerhöhung verursacht wird. Bevorzugt sind erfindungsgemäße Kartuschen, wobei das Reservoir aus ein oder mehreren Materialien besteht, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Glas, Kristall, Metall, Keramik, Holz und Kunststoff, vorzugsweise aus Glas und Kunststoff, und/oder wobei das Reservoir einstückig oder zweistückig, bevorzugt zweistückig, ausgeführt ist, und/oder wobei das Reservoir so ausgelegt ist, dass bei einem Innendruck im Reservoir von 120 kPa, bevorzugt von 150 kPa, besonders bevorzugt von 180 kPa, weiter bevorzugt von 240 kPa, ganz besonders bevorzugt 480 kPa oder mehr, und einem Außendruck von 100 kPa Flüssigkeit ausschließlich durch die Entnahmeöffnung aus dem Reservoir austreten kann.
Die vorstehend angegebenen Materialien sind bevorzugt, weil sie leicht verfügbar sind und mit herkömmlichen Fertigungsverfahren leicht und präzise zu bearbeiten sind. Hierbei ist die Verwendung von Glas und Kunststoff bevorzugt, weil diese Materialien nicht nur eine besonders hohe Kompatibilität mit den üblicherweise eingesetzten flüssigen Zusammensetzungen haben, sondern zudem auch noch über ein vergleichsweise geringes Gewicht verfügen und dabei regelmäßig als optisch ansprechend empfunden werden. Aus fertigungstechnischer Sicht ist es besonders vorteilhaft, das Reservoir mehrstückig, bevorzugt zweistückig, auszuführen, da solche Reservoire regelmäßig leichter zu fertigen sind als ein einstückiges Reservoir, welches mit Ausnahme einer (ggf. kleinen) Entnahmeöffnung vollständig geschlossen ist. Beispielsweise kann ein lediglich an einer Seite offener Behälter unter Verwendung gewöhnlicher Befestigungsmittel mit einem Deckel versehen werden, der die Entnahmeöffnung umfasst, sodass ein starres Reservoir zur Aufnahme einer Flüssigkeit mit einer Entnahmeöffnung erhalten wird, das grundsätzlich für den Einsatz in einer Kartusche für eine elektronische Zigarette oder einen tragbaren Inhalator geeignet ist.
Ganz besonders bevorzugt ist das Reservoir, d.h. inklusive der Elemente zur Druckregulierung im Inneren des Reservoirs, so ausgelegt, dass bei den vorstehend definierten Druckdifferenzen die Flüssigkeit ausschließlich durch die Entnahmeöffnung aus dem Reservoir austreten kann. Dies bedeutet insbesondere, dass das Reservoir in der bevorzugten Ausgestaltung keine beabsichtigten Undichtigkeiten umfasst, bei denen es bei erhöhten Drücken zu einer bewusst vorgesehenen Leckage kommen kann. Entsprechende erfindungsgemäße Kartuschen sind bevorzugt, weil es in diesen auch bei besonders anspruchsvollen Bedingungen, beispielsweise bei starken Sonneneinstrahlungen oder an Bord eines Flugzeuges, nicht zum Auslaufen von Flüssigkeit aus der Kartusche kommt.
Bevorzugt sind erfindungsgemäße Kartuschen, wobei die Entnahmeöffnung dazu eingerichtet ist, mit einem Dochtmaterial ausgefüllt und/oder mit einer Heizeinheit verschlossen zu werden.
Bevorzugt sind erfindungsgemäße Kartuschen, wobei das Reservoir ein Rückschlagventil, vorzugsweise ein Lippenventil, umfasst, wobei das Rückschlagventil bevorzugt so ausgebildet ist, dass es bei einem Unterdrück im Reservoir gegenüber dem Außendruck von 1 kPa oder mehr, bevorzugt 2 kPa oder mehr, besonders bevorzugt 4 kPa oder mehr, öffnet, wobei das Rückschlagventil besonders bevorzugt aus einem flexiblen Material besteht, das ein oder mehrere Elastomere umfasst, welche aus Kautschuken hergestellt wurden, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Naturkautschuk und Synthesekautschuk, bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Naturkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polybutadien-Kautschuk, Nitrilkautschuk, Chloropren-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk und Silikonkautschuk. Entsprechende erfindungsgemäße Kartuschen sind bevorzugt, weil der Einsatz von Rückschlagventilen es ermöglicht, beim Auftreten eines Unterdrucks im Inneren des Reservoirs, beispielsweise während des Verdampfens, einen schnellen und zuverlässigen Druckausgleich zu ermöglichen.
Typische Rückschlagventile sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt ist ein Lippenventil, wobei sich insbesondere solche Lippenventile als besonders vorteilhaft erwiesen haben, die aus einem flexiblen Material bestehen. Entsprechende erfindungsgemäße Kartuschen sind auch deswegen bevorzugt, weil sich das Rückschlagventil in eigenen Feldversuchen als ein besonders robustes Element zur Druckregulierung erwiesen hat, welches insbesondere bei großen Temperaturschwankungen und/oder mechanischen Belastungen zuverlässig seine Funktion erfüllt.
In den eigenen Versuchen hat sich hierbei gezeigt, dass das Rückschlagventil in diesem Punkt auch der Verwendung von Membranen und deformierbaren Wandabschnitten überlegen sein kann. Gegenüber den hier genannten Alternativen wird jedoch teilweise als nachteilig empfunden, dass der Einsatz von Rückschlagventilen nicht dazu geeignet ist, einem im Innenraum des Reservoirs entstehenden Überdruck entgegen zu wirken, da die Anordnung eines Rückschlagventils mit entsprechender Flussrichtung aus dem Innenraum des Reservoirs heraus zwangsläufig zu einer Schwachstelle führen würde, durch die zumindest grundsätzlich auch Flüssigkeit aus dem Inneren des Reservoirs austreten könnte. In den bevorzugten erfindungsgemäßen Kartuschen werden vorzugsweise Rückschlagventile eingesetzt, die so ausgebildet sind, dass die bereits dann öffnen, wenn der Druck im Reservoir nur geringfügig unterhalb des Umgebungsdrucks liegt und somit ein vergleichsweise geringer Unterdrück anliegt. Hierdurch wird auch das Auftreten von kleinen Unterdrücken zuverlässig unterbunden, obwohl entsprechend sensible Rückschlagventile teilweise mit höheren Materialkosten verbunden sind.
Bevorzugt sind erfindungsgemäße Kartuschen, wobei das Reservoir eine gasdurchlässige aber flüssigkeitsundurchlässige, insbesondere wasserundurchlässige, Membran, vorzugsweise eine hydrophobe Kunststoffmembran, insbesondere eine hydrophobe Membran umfassend Polytetrafluorethylen, umfasst, wobei die Membran bevorzugt so ausgebildet ist, dass sie den Durchtritt von gasförmigem Wasser und/oder gasförmigem 1 ,2- Propandiol und/oder gasförmigem Glyzerin ermöglicht.
Entsprechende Kartuschen sind bevorzugt, weil gasdurchlässige aber gleichzeitig flüssigkeitsundurchlässige Membranen die im Reservoir zu bevorratende Flüssigkeit zuverlässig zurückhalten können und dabei gleichzeitig einen Gasaustausch zwischen dem Inneren des Reservoirs und der Umgebung, zumeist in beide Richtungen, erlauben. Insoweit ist der Einsatz dieser Membranen beispielsweise dem ausschließlichen Einsatz eines Rückschlagventils dahingehend überlegen, dass mit der Membran eine Druckregulierung im Inneren des Reservoirs für Über- und Unterdrücken erfolgen kann. Mit Blick auf die im Rahmen der Erfindung bereitgestellten Alternativen für Elemente zur Druckregulierung wird beim Einsatz von Membranen jedoch regelmäßig der vergleichsweise hohe Anschaffungspreis und die vergleichsweise komplizierte Verarbeitung als nachteilig empfunden, wobei insbesondere auch die ggf. verringerte thermische und/oder chemische und/oder mechanische Belastbarkeit entsprechender Membranen, beispielsweise im Vergleich mit Rückschlagventilen, in einigen Fällen als nachteilig empfunden wird.
Bevorzugt sind erfindungsgemäße Kartuschen, wobei das Reservoir einen deformierbaren, vorzugsweise reversibel deformierbaren, Wandabschnitt umfasst, vorzugsweise aus oder umfassend eine Folie, wobei die Folie vorzugsweise thermisch verschweißbar oder reibverschweißbar ist, beispielsweise Polyethylen, und/oder einem gummielastischen Kunststoff, welcher ein oder mehrere Elastomere umfasst, welche aus Kautschuken hergestellt wurden, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Naturkautschuk und Synthesekautschuk, bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Naturkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polybutadien-Kautschuk, Nitrilkautschuk, Chloropren-Kautschuk, Ethylen- Propylen-Dien-Kautschuk und Silikonkautschuk, wobei der deformierbare Wandabschnitt vorzugsweise als deformierbarer Beutel ausgebildet ist, der in das Reservoir hineinragt oder aus dem Reservoir herausragt, besonders bevorzugt in das Reservoir hineinragt, und wobei das Volumen des deformierbaren Beutels ohne anliegen einer Druckdifferenz vorzugsweise kleiner ist, als das Volumen des Reservoirs, besonders bevorzugt weniger als 50 %, ganz besonders bevorzugt weniger als 25 %.
Alternativ bevorzugt oder zusätzlich bevorzugt sind erfindungsgemäße Kartuschen, wobei das Reservoir einen deformierbaren, vorzugsweise plastisch deformierbaren, d.h. nicht reversibel oder nicht vollständig reversibel deformierbaren, Wandabschnitt umfasst, vorzugsweise umfassend eine Folie, beispielsweise umfassend Polyethylen oder eine oder mehrere andere Folien, die bevorzugt thermisch verschweißbar ist oder sind. Dabei ist der deformierbare Wandabschnitt vorzugsweise als deformierbarer Beutel ausgebildet, bevorzugt als ein plastisch deformierbarer Beutel, der in das Reservoir hineinragt oder aus dem Reservoir hinausragt, besonders bevorzugt in das Reservoir hineinragt, und wobei das Volumen des Beutels ohne Anliegen einer Druckdifferenz vorzugsweise kleiner ist als das Volumen des Reservoirs, besonders bevorzugt weniger als 50 %.
Entsprechende erfindungsgemäße Kartuschen sind bevorzugt, da es mit einem entsprechenden deformierbaren Wandabschnitt, vorzugsweise aus flexiblem Material, möglich ist, einem im Inneren des Reservoirs herrschenden Über- oder Unterdrück dadurch entgegen zu wirken, dass der deformierbare Wandabschnitt so deformiert wird, dass das Volumen des Innenraums verringert bzw. vergrößert wird.
Auch bei der Verwendung von nicht reversibel deformierbaren, d.h. plastisch deformierbaren, Materialien ist hierdurch zumindest eine einmalige Schutzfunktion gegen starke Druckänderung im Inneren realisierbar, die in erfindungsgemäßen Kartuschen beispielsweise als einmalige Notfallvorrichtung vorgesehen sein kann. Besonders bevorzugt sind jedoch reversibel deformierbare Wandabschnitte, d.h. Wandabschnitte, die sich zumindest überwiegend, bevorzugt vollständig, elastisch verformen lassen und nach Wegfall der Druckdifferenz zumindest überwiegend, bevorzugt vollständig, in ihren Ausgangszustand zurückkehren. Hierdurch ist es möglich, auch veränderliche Druckschwankungen jeweils nach Bedarf auszugleichen. Grundsätzlich ist es möglich, einen mit dem Rest der Wand des Reservoirs fluchtenden Wandabschnitt vorzusehen, der durch die Wahl eines geeigneten flexiblen Materials und/oder durch die Wahl einer hinreichend dünnen Wandstärke deformierbar ausgebildet ist. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass die Fläche entsprechender Abschnitte aus fertigungstechnischen Gründen häufig zu klein bemessen werden muss, um bei Beibehaltung der flüssigkeitsdichten Eigenschaft eine hinreichende Deformation zu ermöglichen, die die im Betrieb auftretenden Druckschwankungen signifikant kompensieren könnte. Das durch Deformation zusätzlich verfügbare Volumen ist in diesen Systemen regelmäßig zu klein, um einen negativen Einfluss von Druckschwankungen auf die Flüssigkeitsversorgung an der Heizeinheit vollständig zu verhindern.
Entsprechend ist es besonders bevorzugt, dass der deformierbare Wandabschnitt als deformierbarer, bevorzugt reversibel deformierbarer, Beutel ausgebildet ist, der in das Reservoir hineinragt oder aus dem Reservoir herausragt. Dieser deformierbare Beutel ist an der vom Innenraum abgewandten Seite dem Außendruck ausgesetzt und kann in Abhängigkeit von den im Inneren des Reservoirs auftretende Druckschwankungen expandiert oder komprimiert werden, um diese zu kompensieren. Ob es infolge einer Druckerhöhung oder Druckminderung zu einer Kompression oder eine Expansion des Beutels kommt, ist dabei davon abhängig, ob der Beutel in das Reservoir hineinragt oder aus dem Reservoir herausragt. Beispielsweise führt eine Druckerhöhung im Inneren des Reservoirs bei einem hineinragenden flexiblen Beutel zu einer Kompression des Beutels, bei zeitgleichem, druckfreiem Entweichen von Luft auf der der Umgebung zugewandten Seite des Beutels.
Hierbei ist es bevorzugt, dass der reversibel deformierbare Beutel in das Innere des Reservoirs hineinragt, was nicht nur optische Gründe hat. Durch die Anordnung im Inneren des Reservoirs ist es leichter möglich, den Beutel vor Beschädigungen zu schützen, wie sie beispielsweise beim Kontakt mit Fremdobjekten auftreten können. Dies bedeutet jedoch auch, dass, da der Beutel beim Befüllen der Kartusche zumindest teilweise expandiert sein sollte, um eine hinreichende Deformation zu ermöglichen, ohne aus dem Reservoir hinausgedrückt zu werden, dass das im Innenraum des Reservoirs für die zu verdampfende Flüssigkeit zur Verfügung stehende Volumen reduziert wird.
Ein mögliches Herstellungsverfahren kann bevorzugt folgende Schritte umfassen: Formgeben eines thermoplastischen Folienstrangs, wobei eine Vielzahl von offenen Beutelabschnitten gebildet wird, Verschweißen des geformten Folienstrangs mit der Vielzahl von offenen Beutelabschnitten mit einer zweiten Folie, derart, dass die Beutelabschnitte mit der zweiten Folie zusammen eine Vielzahl von bevorzugt geschlossenen Blasen auf dem Folienstrang bilden, Ausstanzen der Blasen aus dem Folienstrang. Beispielsweise kann die zweite Folie eine größere Dicke als die Dicke des Folienstrangs aufweisen. Bevorzugt erfolgt das Formgeben durch Tiefziehen oder verwandte Verfahren.
Alternativ oder zusätzlich kann auf die im Herstellungsverfahren hergestellten und im Folienstrang vorliegenden Blasen der Schritt der Befestigung eines Kunststoffteils, vorzugsweise ein starres Kunststoffteil, beispielsweise eines Rahmens, einer Aufnahme oder eines Flanschs, erfolgen, wobei vorzugsweise die Befestigung durch thermisches Verschweißen oder Reibschweißen erfolgt. Das Ausstanzen der Blasen mit dem Kunststoffteil kann in dem Fall nach dem Schritt der Befestigung des Kunststoffteils erfolgen.
Die nach diesem beispielhaften Verfahren hergestellten Blasen können wie folgt in einer erfindungsgemäßen Kartusche montiert werden: Anordnen wenigstens einer Blase in einem oder außerhalb an einem Reservoir, wobei die Blase einen Durchgang überdeckt, der eine kommunizierende Verbindung bereitstellt zwischen dem Inneren des Reservoirs und einem mit dem Umgebungsdruck in Kontakt stehenden Bereich außerhalb des Reservoirs,
Verschweißen, bevorzugt thermisches Verschweißen oder Reibschweißen, der Blase und/oder, sofern vorhanden, des Kunststoffteils der Blase im Bereich des Durchgangs, so dass die verschweißte Blase und/oder das verschweißte Kunststoffteil den Durchgang vollständig abdichtet bzw. abdichten, Öffnen der Blase im Bereich des Durchgangs, wobei der Durchgang nun eine kommunizierende Verbindung bereitstellt zwischen dem Umgebungsdruck und dem durch die Blase umschlossenen und von dem Inneren des Reservoirs getrennten Volumens und so ein oben beschriebener, deformierbarer Beutel im Reservoir bzw. der Kartusche gebildet wird.
Bevorzugt kann das Öffnen durch ein Perforieren der Blase, beispielsweise ein Durchstechen der Blase mit einer Nadel oder einem anderen geeigneten, spitzen Gegenstand durchgeführt werden. Bevorzugt ist der Abschnitt der Blase mit der zweiten Folie flach bzw. dem Bereich des Durchgangs korrespondierend ausgestaltet, deckt den Durchgang ab und wird dort, ggf. zusammen mit dem Kunststoffteil oder unabhängig davon, verschweißt. Weiter bevorzugt kann die Blase oder das Kunststoffteil flächig im Bereich des Durchgangs verschweißt werden. Alternativ kann die Blase auch nur entlang einer geschlossenen, umlaufenden Kontur um den Durchgang herum mit dem Reservoir verschweißt werden.
Bevorzugt kann sich der Beutel und/oder das durch den Beutel umschlossene Volumen bei Differenzdrücken, die zwischen dem Innenraum des Reservoirs und dem Umgebungsdruck anliegen, von unter 10 hPa, bevorzugt unter 5 hPa, verändern, bevorzugt reversibel, d.h. elastisch, oder vollständig oder teilweise nicht reversibel, d.h. plastisch, bevorzugt wenigstens nicht vollständig reversibel. Bevorzugt erfolgt diese Volumenänderung aufgrund der Änderung der Druckdifferenz und ist im Wesentlichen frei von durch das Material des Beutels erzeugten Rückstellkräften.
Wenn ausschließlich ein deformierbarer Wandabschnitt als Element zur Druckregulierung eingesetzt wird, sind erfindungsgemäße Kartuschen bevorzugt, wobei das Volumen des deformierbaren Wandabschnitts bei Anliegen einer Druckdifferenz von 38 kPa im Bereich von 30 bis 90 % des Ausgangsvolumens des Reservoirs, bevorzugt 40 bis 80 %, besonders bevorzugt 50 bis 70 %, liegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass auch bei einer fast vollständigen Entleerung des Reservoirs durch den deformierbaren Wandabschnitt ausreichend Ausgleichvolumen zur Verfügung gestellt werden kann, ohne dass der deformierbare Wandabschnitt so viel Raum einnehmen kann, dass die verbliebene Flüssigkeit nicht mehr ungehindert zur Entnahmeöffnung gelangen kann. Ganz besonders bevorzugt sind erfindungsgemäße Kartuschen, wobei das Reservoir zwei oder mehrere Elemente zur Druckregulierung, bevorzugt zwei, umfasst, und/oder wobei das Reservoir zwei oder mehrere unterschiedliche Elemente zur Druckregulierung, bevorzugt zwei, umfasst, und/oder wobei das Reservoir zwei oder mehrere Elemente zur Druckregulierung, bevorzugt zwei, umfasst, die auf der gleichen oder auf unterschiedlichen Seiten des Reservoirs, bevorzugt auf gleichen Seiten, angeordnet sind.
Die bevorzugten Kartuschen sind insbesondere deshalb bevorzugt, weil durch die Kombination von zwei oder mehreren Elementen, insbesondere zwei oder mehreren unterschiedlichen Elementen die Charakteristik der Druckregulierung spezifisch auf die im jeweiligen Einsatzgebiet entstehenden Anforderungen angepasst werden können, wobei insbesondere auch bestehende Schwächen der individuellen Elemente zur Druckregulierung in synergistischer Weise kompensiert werden können. So ist es beispielsweise besonders vorteilhaft, dass Rückschlagventil, welches keine Lösung für Überdrücke im Innenraum des Reservoirs bietet, mit einem deformierbaren Wandabschnitt oder einer Membran zu kombinieren, die diese Druckregulierung ermöglichen. Gleichzeitig stellt das Rückschlagventil eine besonders robuste und zuverlässige Lösung dar, um im Zweifelsfall auch kurzfristig große Mengen an Gas in den Innenraum bereitzustellen, wie es beispielsweise die Membran in einigen Fällen nicht vermag.
In eigenen Versuchen hat sich dabei gezeigt, dass der Einsatz einer Membran insbesondere zur Abfederung von kleinen Druckänderungen besonders günstig ist, wobei es vorteilhaft ist, die Membran dadurch vor mechanischer Belastung zu schützen, dass diese mit einem Rückschlagventil oder einem deformierbaren Wandabschnitt kombiniert wird, die besonders schnell auch auf große Druckänderungen reagieren können. Die Kombination eines Rückschlagventils mit einem deformierbaren Wandabschnitt ist deswegen besonders vorteilhaft, weil das maximale Expansionsvolumen des Beutels und damit dessen Platzbedarfs im Inneren des Reservoirs nicht so groß vorgesehen werden muss, dass selbst starke Unterdrücke kompensiert werden können. Beim Auftreten stärkerer Unterdrücke kann durch das Rückschlagventil zusätzliches Gas in den Innenraum eindringen, sodass eine besonders starke Expansion des deformierbaren Wandabschnitts nicht notwendig ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass in der Kombination der beiden Elemente zur Druckregulierung der Schwellenwert für das Rückschlagventil höher angesetzt werden kann, wohingegen das maximale Expansionsvolumen des deformierbaren Wandabschnittes niedriger gewählt werden kann. Durch beide Aspekte verringern sich die Kosten und der Fertigungsaufwand der beiden Komponenten.
Entsprechend sind erfindungsgemäße Kartuschen bevorzugt, wobei das Reservoir ein Rückschlagventil und eine gasdurchlässige aber flüssigkeitsundurchlässige Membran umfasst, und/oder wobei das Reservoir ein Rückschlagventil und einen deformierbaren Wandabschnitt, vorzugsweise einen reversibel deformierbaren Beutel, umfasst, und/oder wobei das Reservoir eine gasdurchlässige aber flüssigkeitsundurchlässige Membran und einen deformierbaren Wandabschnitt umfasst.
Bevorzugt sind erfindungsgemäße Kartuschen, wobei die ein oder mehrere Elemente zur Druckregulierung in der Wand des Reservoirs angeordnet sind, die im Mittel den größten Abstand zur Entnahmeöffnung aufweist, und/oder wobei der Abstand zwischen der Entnahmeöffnung und den ein oder mehrere Elemente zur Druckregulierung größer ist, als der mittlere Durchmesser der Entnahmeöffnung.
Entsprechende Kartuschen sind bevorzugt, weil in typischen Verdampfersystemen davon auszugehen ist, dass die Heizeinheit und/oder das Dochtmaterial in der Nähe der Entnahmeöffnung angeordnet sind und/oder sogar durch diese in das Innere des Reservoirs hineinragen. Für den reibungslosen Betrieb solcher Verdampfersysteme ist es häufig empfehlenswert, dass die Flüssigkeitszufuhr zum Dochtmaterial uneingeschränkt stattfinden kann und es eine möglichst große Kontaktfläche zwischen dem Dochtmaterial und der Flüssigkeit gibt. Diese kann prinzipiell durch Gasbläschen, die durch ein nahegelegenes Rückschlagventil eindringen, oder ein in der Nähe stark expandierendes deformierbares Wandelement beeinträchtigt werden. Deshalb ist es vorteilhaft, die Elemente zur Druckregulierung nicht in der Nähe des Dochtmaterials vorzusehen, weil das eintretende Gas bzw. der expandierende deformierbare Wandabschnitt die Kontaktfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Dochtmaterial so nicht blockieren und/oder belegen kann.
Zudem sind typische Verdampfersysteme regelmäßig so konstruiert, dass bei der vorgesehenen Verwendung des Dämpfens die Entnahmeöffnung mit Flüssigkeit bedeckt ist. Entsprechend ist es in bevorzugten Kartuschen signifikant leichter zu realisieren, dass die Elemente zur Druckregulierung im Moment der Benutzung nicht von Flüssigkeit bedeckt sind und einen reibungslosen Gasaustausch, vor allen Dingen beim Rückschlagventil und der Membran, bzw. eine nicht durch die Zusammensetzung eingeschränkte Expansion, insbesondere beim deformierbaren Wandabschnitt, möglich ist.
Bevorzugt sind erfindungsgemäße Kartuschen, umfassend im Reservoir eine Zusammensetzung, wobei die Zusammensetzung zumindest eine Wirkstoffkomponente, zumindest eine höher als die Wirkstoffkomponente siedende erste Trägersubstanz und zumindest eine niedriger als die Wirkstoffkomponente siedende zweite Trägersubstanz umfasst, wobei die Wirkstoffkomponente vorzugsweise Nikotin, Tetrahydrocannabinol, Cannabidiol oder Stoffe der entsprechenden Stoffklassen umfasst und die Zusammensetzung vorzugsweise zudem ein oder mehrere Lösungsmittel umfasst ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 1 ,2-Propandiol, Glyzerin und Wasser.
Entsprechende erfindungsgemäße Kartuschen sind bevorzugt, weil die Bereitstellung von bereits gefüllten Kartuschen es ermöglicht, Einwegteile bereitzustellen, die vom Verwender entsprechender Verdampfersysteme lediglich mit einem Mehrwegteil kombiniert werden müssen, um ein funktionierendes Verdampfersystem zu erzeugen. In der Praxis hat sich dabei die vorstehend definierte Zusammensetzung als besonders vorteilhaft erwiesen.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Verdampfereinheit, umfassend eine erfindungsgemäße Kartusche, zusätzlich umfassend eine Heizeinheit mit einem Dochtmaterial und mit einem elektrischen Heizelement, die so angeordnet ist, dass das Dochtmaterial in der Entnahmeöffnung angeordnet ist und/oder die Entnahmeöffnung bedeckt und dass Flüssigkeit aus dem Reservoir über das Dochtmaterial zum elektrischen Heizelement gelangen kann.
Durch die Kombination einer erfindungsgemäßen Kartusche mit einer Heizeinheit umfassend ein Dochtmaterial und elektrisches Heizelement, wird eine erfindungsgemäße Verdampfereinheit erhalten, die zum Verdampfen einer im Reservoir bevorrateten Zusammensetzung geeignet ist. Erfindungsgemäß ist das Dochtmaterial in der Entnahmeöffnung angeordnet oder bedeckt die Entnahmeöffnung in der Weise, dass Flüssigkeit aus dem Reservoir über das Dochtmaterial zum elektrischen Heizelement gelangen kann. In herkömmlichen Docht-Wendel-Systemen wird das elektrische Heizelement beispielsweise durch eine Heizspule gebildet, durch die das Dochtmaterial geführt wird, dessen beide Enden durch die Entnahmeöffnung in das Flüssigkeitsreservoir ragen. Im befüllten Zustand saugt sich das Dochtmaterial durch den Kapillareffekt mit der zu verdampfenden Zusammensetzung voll und weist entsprechend mit Flüssigkeit gefüllte Poren oder Kapillaren auf. Um eine ungewollte Leckage durch die Entnahmeöffnung zu unterbinden, wird die Entnahmeöffnung regelmäßig so dicht mit dem Dochtmaterial befüllt oder abgedeckt, dass an dem Dochtmaterial vorbei keine fluidleitende Verbindung zwischen dem Inneren des Reservoirs und dem äußeren des Reservoirs möglich ist. Entsprechend kann Flüssigkeit aus dem Reservoir nur über das Dochtmaterial zum elektrischen Heizelement gelangen. Dies hat bei herkömmlichen Kartuschen den Effekt, dass eine Druckregulierung über die Entnahmeöffnung nicht bzw. nur eingeschränkt möglich ist, sodass ein Unterdrück im Inneren des Reservoirs dazu führt, dass über das Dochtmaterial nicht hinreichend Zusammensetzung an den Heizerchip gelangt, wohingegen ein Überdruck im Reservoir dazu führen kann, dass durch das Dochtmaterial Zusammensetzung in ungewollt großer Menge zur Heizeinheit transportiert wird. In beiden Fällen würde das Verdampfungsergebnis beeinträchtigt. In erfindungsgemäßen Verdampfereinheiten, die eine erfindungsgemäße Kartusche umfassen, wird dieser nachteilige Effekt unterbunden, da durch das eine oder die mehreren Elemente zum Druckausgleich ein Über- oder Unterdrück im Inneren des Reservoirs vorteilhafterweise ausgeglichen werden kann.
Bevorzugt sind erfindungsgemäße Verdampfereinheiten, wobei das elektrische Heizelement eine Drahtspule oder eine Heizerfolie oder ein plattenförmiger Heizerchip ist, bevorzugt eine Heizerfolie oder ein plattenförmiger Heizerchip, besonders bevorzugt ein plattenförmiger Heizerchip aus einem dotierten oder undotierten Halbleitermaterial, welcher von einer Vielzahl von Mikrokanälen durchzogen ist, die eine flüssigkeitsleitende Verbindung zwischen der dem Dochtmaterial zugewandten Seite des Heizerchips und einer einem Luftkanal (36) zugewandten Seite des Heizerchips bereitstellen.
Sogenannte Docht-Wendel-Systeme, in denen das elektrische Heizelement durch eine Drahtspule gebildet wird, sind derzeit wohl die verbreitetsten Systeme für Verdampfereinheiten und zumindest insoweit vorteilhaft, dass sie technologisch vergleichsweise einfach sowie regelmäßig leicht und kostengünstig zu fertigen sind. Als nachteilig wird bei Docht-Wendel-Systemen jedoch regelmäßig empfunden, dass die Reproduzierbarkeit des Verdampfungsprozesses und die Qualität des entstehenden Aerosols zuweilen als nachteilig empfunden werden. In den letzten Jahren wurden daher neue Technologien entwickelt, bei denen ein plattenförmiger Heizerchip oder eine Heizerfolie als elektrisches Heizelement eingesetzt werden können, die mit dem Dochtmaterial bedeckt und gegebenenfalls an einem starren Träger fixiert werden können. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass entsprechende Heizerfolien oder plattenförmige Heizerchips zu einem besonders effizienten, kontrollierbaren und reproduzierbaren Verdampfungsprozess führen und dabei ein Aerosol mit besonders hoher Qualität erzeugen, welches von vielen Verbrauchern als besonders angenehm empfunden wird.
Die Heizeinheit aus der Heizerfolie bzw. dem plattenförmigen Heizerchip sowie dem Dochtmaterial werden in diesen Aufbauten üblicherweise auf der Entnahmeöffnung des Reservoirs platziert, wobei durch Dichtelemente eine fluiddichte Verbindung erzeugt wird, sodass Flüssigkeit und Gase aus dem Inneren des Reservoirs nur durch die Entnahmeöffnung und dabei ausschließlich durch das Dochtmaterial und die Heizeinheit hindurch austreten können.
Entsprechend bevorzugt sind erfindungsgemäße Verdampfereinheiten, wobei die Heizeinheit Dichtelemente zur Einfassung des elektrischen Heizelementes umfasst und an der Entnahmeöffnung fluiddicht so mit dem Reservoir verbunden ist, dass Flüssigkeit und/oder Gas aus dem Inneren des Reservoirs durch die Entnahmeöffnung ausschließlich durch die Heizeinheit hindurch hinaustreten kann.
Entsprechende erfindungsgemäße Verdampfereinheiten sind bevorzugt, weil sich der generelle Aufbau in der Praxis als besonders leistungsfähig und robust erwiesen hat. Gleichzeitig zeigt sich bei diesen Systemen, in denen die Entnahmeöffnung fluiddicht mit der Heizeinheit verbunden und dadurch bis auf den Durchtritt durch das elektrische Heizelelement fluiddicht verschlossen ist, eine besonders große Anfälligkeit für das Auftreten von Über- oder Unterdrücken. Dies ist bedingt durch den Umstand, dass der Druckausgleich durch die Entnahmeöffnung nicht nur durch das Dochtmaterial beeinträchtigt wird, sondern auch die Heizeinheit eine weite Barriere für den Druckausgleich darstellt. Entsprechend sind diese Verdampfereinheiten auch deshalb bevorzugt, weil der technische Effekt der erfindungsgemäßen Ausgestaltung in diesen besonders spürbar ist.
Bevorzugt sind erfindungsgemäße Verdampfereinheiten, wobei das elektrische Heizelement und/oder das Dochtmaterial so ausgelegt sind, dass sie bis zu einer Druckdifferenz zwischen dem Innendruck im Reservoir und dem Außendruck von 1 kPa, bevorzugt 2 kPa, besonders bevorzugt 3 kPa, keinen Flüssigkeitsdurchtritt durch die Entnahmeöffnung und durch das Heizelement hindurch ermöglichen.
In eigenen Versuchen der Erfinder hat sich gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, das elektrische Heizelement und/oder das Dochtmaterial so auszulegen, dass zumindest bei kleinen Druckdifferenzen zwischen dem Inneren des Reservoirs und der Umgebung noch kein Flüssigkeitsdurchtritt durch die Entnahmeöffnung durch das Heizelement hindurch möglich wird. Diese Einstellung kann der Fachmann beispielsweise durch die Wahl geeigneter Porengrößen für das Dochtmaterial einstellen. Alternativ kann diese Einstellung bei Verwendung eines plattenförmigen Heizerchips, durch die Einstellung des Durchmessers der Mikrokanäle erfolgen. In diesen den Heizerchip durchziehenden Mikrokanälen bzw. den Poren resultiert aus der Oberflächenspannung der Flüssigkeit ein Widerstand gegen den Austritt der Flüssigkeit, der zumindest bei kleinen Druckdifferenzen zwischen dem Innendruck im Reservoir und dem Außendruck ein ungewolltes Auslaufen der Flüssigkeit verhindert. Entsprechende Verdampfereinheiten sind deswegen besonders bevorzugt, weil die hierdurch eingestellte Grundtoleranz des Systems gegen Druckschwankungen im Inneren des Reservoirs es ermöglicht, die Elemente zur Druckregulierung weniger sensibel auslegen zu müssen, ohne dass dadurch die Flüssigkeitszufuhr zum elektrischen Heizelement zu stark beeinträchtigt würde. Dadurch ist es möglich, dass der vorteilhafte Effekt der Erfindung auch dann erzielt wird, wenn das gewählte Element zur Druckregulierung erst ab einer höheren Druckdifferenz zu einem Druckausgleich führt, beispielsweise bei Einsatz eines Rückschlagventils, und/oder ggf. träger auf Druckänderungen reagiert, wie es beispielsweise bei bestimmten Membranen Vorkommen kann.
Bevorzugt sind erfindungsgemäße Verdampfereinheiten, wobei das Reservoir zylinderförmig oder quaderförmig ausgelegt ist und die Entnahmeöffnung an einem Schlot angeordnet ist, der sich ausgehend von einer der Grundflächen des Zylinders oder Quaders in das Innere des Zylinders oder Quaders hinein, bevorzugt durch das gesamte Reservoir hindurch, erstreckt.
In der vorstehend beschriebenen Anordnung liegt die Entnahmeöffnung quasi im Inneren des Reservoirs, von wo aus sich ein Schlot zu der Außenseite des Reservoirs hin erstreckt. Ein entsprechender Aufbau ist beispielsweise dadurch zu erhalten, dass ein zylinderförmiges Reservoir aus Kunststoff oder Metall, welches an seinen beiden Grundflächen jeweils über eine Ausnehmung verfügt, mit einem Kunststoff- oder Metallrohr mit einer Entnahmeöffnung kombiniert wird, welches in die erste Ausnehmung eingeführt und durch den Zylinder hindurch durch die zweite Ausnehmung geführt wird, bis es in dieser Position fixiert wird. Entsprechende Verdampfereinheiten sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft, weil hierdurch im Reservoir seitlich des Schlotes, auf der von der Entnahmeöffnung abgewandten Seite, ein Abschnitt des Reservoirs gebildet wird, in dem Elemente zur Druckregulierung besonders günstig angeordnet werden können, weil eine Beeinträchtigung der Entnahmeöffnung durch die Elemente zur Druckregulierung, beispielsweise durch einen sein Volumen verändernden reversibel deformierbaren Beutel oder durch die durch ein Rückschlagventil einströmende Luft, ausgeschlossen ist.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verdampfersystem zum Verdampfen einer Zusammensetzung, vorzugsweise für den Einsatz in einer tragbaren Verdampfungsvorrichtung, bevorzugt in einem Handgerät, besonders bevorzugt in einer E-Zigarette oder einem Inhalator für medizinische Zwecke, umfassend eine erfindungsgemäße Kartusche und eine Heizeinheit oder eine erfindungsgemäße Verdampfereinheit und zumindest eine elektrische Energiequelle für den Betrieb des elektrischen Heizelements.
Die Kombination einer erfindungsgemäßen Kartusche sowie einer Heizeinheit oder alternativ der Einsatz einer erfindungsgemäßen Verdampfereinheit ermöglichen den Erhalt eines erfindungsgemäßen Verdampfersystems zum Verdampfen einer Zusammensetzung, wobei eine elektrische Energiequelle die für den Betrieb eines elektrischen Heizelements benötigte Energie zur Verfügung stellt.
Ganz besonders bevorzugt ist es hierbei, das Verdampfersystem zweiteilig auszuführen, wobei die Kartusche in einem ersten Teil, einem sogenannten Einwegteil, angeordnet ist und die elektrische Energiequelle in einem zweiten Teil, einem sogenannten Mehrwegteil, angeordnet ist. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verdampfersystems kann eine befüllte Kartusche, d.h. mit einer flüssigen Zusammensetzung im Reservoir, mit dem Mehrwegteil verbunden werden, um das Verdampfersystem einsatzbereit zu machen. Nach dem Entleeren des Reservoirs kann das Einwegteil entfernt und durch eine neue, befüllte Kartusche ersetzt werden, um unmittelbar die Einsatzfähigkeit des Verdampfersystems wiederherzustellen.
Hierbei sind verschiedene Ausgestaltungen möglich, wobei insbesondere das elektrische Heizelement entweder im ersten Teil oder im zweiten Teil angeordnet sein kann, d.h. entweder Bestandteil des Einwegteils ist, oder zusammen mit der elektrischen Energiequelle mehrfach verwendet werden kann. Alternativ kann im erfindungsgemäßen Verdampfersystem auch ein drittes Teil vorgesehen sein, welches die Heizeinheit und/oder weitere Elemente, beispielsweise Sensoren, umfasst.
Entsprechend bevorzugt sind, erfindungsgemäße Verdampfersysteme, wobei die erfindungsgemäße Kartusche in einem ersten Teil, insbesondere einem Einwegteil, angeordnet ist und die elektrische Energiequelle in einem zweiten Teil, insbesondere einem Mehrwegteil, angeordnet ist, wobei das erste Teil und das zweite Teil reversibel und zerstörungsfrei lösbar miteinander verbunden sind, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der elektrischen Energiequelle und dem elektrischen Heizelement sowie ein fluidleitender Kontakt zwischen dem Reservoir und dem elektrischen Heizelement besteht.
Entsprechend bevorzugt sind auch erfindungsgemäße Verdampfersysteme, zusätzlich umfassend ein drittes Teil, wobei die Heizeinheit im ersten Teil oder im zweiten Teil oder im dritten Teil angeordnet ist, wobei das erste Teil, das zweite Teil und das dritte Teil reversibel und zerstörungsfrei lösbar miteinander verbunden sind, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der elektrischen Energiequelle und dem elektrischen Heizelement sowie ein fluidleitender Kontakt zwischen dem Reservoir und dem elektrischen Heizelement besteht.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden zwei Teile, die vom Anwender nicht unter Aufwendung üblicher Kräfte, d.h. Kräfte, die mit den Händen aufgewendet werden können, ggf. unter Einsatz eines Werkzeuges wie beispielsweise eines Schraubendrehers, reversibel und zerstörungsfrei voneinander gelöst und wieder verbunden werden können, nicht als reversibel und zerstörungsfrei lösbar miteinander verbunden angesehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Ausdruck reversibel und zerstörungsfrei lösbar auf das zur Verbindung und/oder Befestigung verwendete Bauteil, beispielsweise das Schraubgewinde. Es ist nicht ausgeschlossen, dass es vor oder beim Verbinden des ersten und zweiten Teils zu bewussten Veränderungen im ersten und/oder zweiten Teil kommt, die aber die Verbindbarkeit und Lösbarkeit nicht beeinflussen. Beispielsweise kann es nötig sein, vor dem Verbinden eine Schutzfolie vom ersten Teil abzuziehen. In einigen bevorzugten Ausführungsformen umfasst das zweite Teil beispielsweise einen Dorn oder eine ähnliche Struktur, mit der eine am ersten Teil befestigte Schutzfolie beim Verbinden bewusst zerstochen wird.
Bevorzugt sind erfindungsgemäße Verdampfersysteme, wobei ein oder mehrere Elemente zur Druckregulierung so in der Kartusche angeordnet sind, dass diese nicht auf oder in der Außenhülle des Verdampfersystems angeordnet sind.
Entsprechende erfindungsgemäße Verdampfersysteme haben sich in der Praxis besonders bewährt und als vorteilhaft erwiesen, weil es günstig ist, die Elemente zur Druckregulierung so in der Kartusche anzuordnen, dass diese bei dem erhaltenden erfindungsgemäßen Verdampfersystem nicht auf der Außenhülle des Verdampfersystems angeordnet sind. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Elemente zur Druckregulierung innerhalb des erfindungsgemäßen Verdampfersystems, beispielsweise unterhalb einer Verschalung und/oder einer Außenhülle angeordnet sind, sodass sie bei Verwendung des Verdampfersystems durch den Endverbraucher vor mechanischen Beschädigungen, insbesondere durch die ungewollte Einwirkung des Verbrauchers, geschützt werden. Auch wenn dies für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein kann, hat es sich doch in einigen Fällen als nachteilig erwiesen, wenn der Verbraucher beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verdampfersystems beispielsweise mit einem Finger versehentlich das Rückschlagventil verschließen kann oder beispielsweise mit den Fingernägeln die Membran oder einen deformierbaren Wandabschnitt beschädigen kann. Bevorzugt sind zudem erfindungsgemäße Verdampfersysteme, wobei die elektrische Energiequelle ein Energiespeicher ist, bevorzugt eine Batterie oder eine Brennstoffzelle, besonders bevorzugt eine Lithiumionenbatterie, insbesondere einen Lithiumpolymerakkumulator, und/oder zusätzlich umfassend eine elektronische Steuerungseinrichtung zum Steuern der elektrischen Heizeinheit, und/oder zusätzlich umfassend ein oder mehr Sensoreinheiten, wobei die ein oder mehr Sensoreinheiten ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus
Strahlungssensoren, insbesondere Infrarotsensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren, Durchflusssensoren, Strommessgeräte, Spannungsmessgeräte, Lagesensoren, Massenstromsensoren, Volumenstromsensoren, Füllstandssensoren zur Bestimmung des Füllstandes im Tank, optische Sensoren, chemische Sensoren, chemische Analysevorrichtungen.
Nachfolgend werden die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert und beschrieben. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren gleiche Bauteile. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 Die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Kartusche;
Fig. 2 Die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Kartusche; Fig. 3 Die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Kartusche in einer ersten bevorzugten Ausführungsform; Fig. 4 Die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Kartusche in einer zweiten bevorzugten Au sfüh rungsform;
Fig. 5 Die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Kartusche in einer dritten bevorzugten Au sfüh rungsform;
Fig. 6 Die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Kartusche in einer vierten bevorzugten Ausführungsform; Fig. 7 Die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Kartusche in einer fünften bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 8 Die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Verdampfereinheit in einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 9 Die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Verdampfereinheit in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 10 Die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Verdampfereinheit in einer dritten bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 11 Die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Verdampfereinheit in einer vierten bevorzugten Ausführungsform; Fig. 12 Die schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Verdampfereinheit in einer fünften bevorzugten Ausführungsform. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Kartusche 10. Diese Kartusche 10 besteht in dieser einfachen Ausführungsform aus einem starren Reservoir 12, dessen Wand 20 das Innere 18 des Reservoirs 12 umschließt. Das dargestellte Reservoir 12 weist eine Entnahmeöffnung 14 auf, die dazu eingerichtet ist, die Entnahme von Flüssigkeit aus dem Reservoir 12 heraus zu ermöglichen. Das aus dem Stand der Technik bekannte Reservoir 12 weist keine Elemente zur Druckregulierung 16 im Inneren 18 des Reservoirs 12 auf. Bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Kartuschen wird die Entnahmeöffnung 14 im Betrieb in einer Verdampfereinheit durch ein Dochtmaterial ausgefüllt und/oder mit einer Heizeinheit 30 verschlossen, sodass eine auftretende Druckdifferenz im Inneren 18 des Reservoirs 12 gegenüber dem Umgebungsdruck nachteiligerweise dazu führt, dass über das Dochtmaterial nicht hinreichend Zusammensetzung an das elektrische Fleizelement gelangt oder dass die Flüssigkeit durch das Dochtmaterial in ungewollter Menge zur Heizeinheit 30 transportiert wird.
Fig. 2 zeigt im Gegensatz hierzu eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Kartusche 10, deren starres Reservoir 12 in der Wand 20 ein Element zur Druckregulierung 16 im Inneren 18 des Reservoirs 12 umfasst. Flierdurch ist es möglich, im Inneren 18 des Reservoirs 12 auftretende Druckdifferenzen über das Element zur Druckregulierung 16 zu kompensieren, sodass der Austritt der Flüssigkeit durch die Entnahmeöffnung 14 zu einer Heizeinheit (nicht gezeigt) nicht beeinträchtigt wird. Die in Fig. 2 gezeigte erfindungsgemäße Kartusche 10 wird im vorliegenden Beispiel ausschließlich durch das starre Reservoir 12 gebildet, welches im vorliegenden Beispiel aus Kunststoff besteht und einstückig ausgeführt ist.
Das gezeigte Reservoir 12 weist keine Abschnitte auf, bei denen es bei Zunahme des Innendrucks zu beabsichtigten Undichtigkeiten kommt. Dies bedeutet, dass das Reservoir 12 bei einem Innendruck von 120 kPa und einem Außendruck von 100 kPa abseits der Entnahmeöffnung 14 dicht ist, so dass Flüssigkeit auch bei diesen erhöhten Drücken ausschließlich durch die Entnahmeöffnung 14 aus dem Reservoir 12 austreten kann. Die gezeigte Entnahmeöffnung 14 ist dazu eingerichtet, mit einem Dochtmaterial (nicht gezeigt) ausgefüllt und/oder mit einer Heizeinheit (nicht gezeigt) verschlossen zu werden. Die in Fig. 2 offenbarte erfindungsgemäße Kartusche ist so ausgelegt, dass das Element zur Druckregulierung 16 in der Wand 20 des Reservoirs 12 angeordnet ist, die den größten Abstand zur Entnahmeöffnung 14 aufweist, wobei der Abstand zwischen der Entnahmeöffnung 14 und dem Element zur Druckregulierung 16 größer ist als der mittlere Durchmesser der Entnahmeöffnung 14, sodass die vom Element zur Druckregulierung 16 gegebenenfalls ausgeübten Störungen, beispielsweise das Eintreten von Gas oder die Expansion eines deformierbaren Wandabschnitts, den für die gleichbleibende und kontrollierte Flüssigkeitszufuhr zum Heizelement 30 entscheidenden Bereich der Kartusche 10 so wenig wie möglich beeinflussen.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Kartusche 10 in einer bevorzugten Ausführungsform. Als Element zur Druckregulierung 16 umfasst das Reservoir 12 in der Wand 20 des Reservoirs 12 angeordnet ein Rückschlagventil 16a, bei welchem es sich im vorliegenden Beispiel um ein Lippenventil handelt. Dieses Lippenventil ist so ausgelegt, dass es bei einem Unterdrück im Reservoir gegenüber dem Außendruck von 1 kPa oder mehr öffnet und dadurch einen Druckausgleich mit der Umgebung ermöglicht. In Fig. 3 besteht das Rückschlagventil 16a aus einem flexiblen Material, welches ein Elastomer umfasst, welches aus Silikonkautschuk hergestellt wurde. Da das Rückschlagventil 16a nur öffnet, wenn zwischen dem Inneren 18 des Reservoirs 12 und der Umgebung eine Druckdifferenz besteht, ist durch das Rückschlagventil 16a kein Austritt von Flüssigkeit aus dem Reservoir 12 heraus möglich.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kartusche 10, wobei das Element zur Druckregulierung 16 eine gasdurchlässige aber flüssigkeitsundurchlässige Membran 16b ist. In Fig. 3 handelt es sich bei der gasdurchlässigen aber flüssigkeitsundurchlässigen Membran 16b um eine hydrophobe Kunststoffmembran aus Polytetrafluorethylen, die so ausgebildet ist, dass diese den Durchtritt von Wasser, 1 ,2-Propandiol und Glyzerin aus dem Inneren 18 des Reservoirs 12 verhindert und den Austausch von Gas zwischen dem Inneren 18 des Reservoirs 12 und der Umgebung in beide Richtungen ermöglicht.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Kartusche 10 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Das Element zur Druckregulierung 16 wird in dieser Ausführungsform durch einen deformierbaren Wandabschnitt 16c gebildet, wobei die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform einen reversibel deformierbaren Wandabschnitt 16c umfasst, der als deformierbarer Beutel ausgebildet ist, welcher in das Reservoir 12 hineinragt. Die vom Inneren 18 des Reservoirs 12 abgekehrte Seite des deformierbaren Wandabschnitts 16c steht dabei mit der Umgebung in Kontakt und weist entsprechend Umgebungsdruck auf, ohne jedoch den Austritt von Flüssigkeit durch den deformierbaren Wandabschnitt 16c hindurch zu ermöglichen. Entsprechend kann der deformierbare Wandabschnitt 16c in Abhängigkeit von einer Druckänderung im Innenraum 18 des Reservoirs 12 komprimiert oder expandiert werden, um diese Druckänderung auszugleichen.
Die Fig. 6 und 7 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch zwei besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kartusche 10, die deswegen besonders vorteilhaft sind, weil sie das synergistische Zusammenspiel von zwei Elementen zur Druckregulierung 16, bei denen es sich um unterschiedliche Elemente zur Druckregulierung 16 handelt, die auf unterschiedlichen Seiten des Reservoirs 12, d.h. in unterschiedlichen Abschnitten der Wand 20, angeordnet sind, ermöglichen.
In den beiden dargestellten Ausführungsformen umfasst das Reservoir 12 jeweils ein Rückschlagventil 16a, welches insbesondere dazu vorgesehen ist, große auftretende Unterdrücke im Inneren 18 des Reservoirs 12 schnell auszugleichen, um dadurch das jeweils zweite Element zur Druckregulierung 16 zu unterstützen bzw. zu schützen und hinsichtlich der Auslegung des zweiten Elements zur Druckregulierung 16 eine höhere Flexibilität zu erhalten. In Fig. 6 und 7 ist das zweite Element zur Druckregulierung 16 einmal als deformierbarer Wandabschnitt 16c, der als reversibel deformierbarer Beutel ausgelegt ist, bzw. als eine Membran, welche gasdurchlässig aber flüssigkeitsundurchlässig ist, ausgelegt. Diesen Elementen zur Druckregulierung 16 fällt jeweils die Aufgabe zu, im Inneren 18 des Reservoirs 12 auftretende Druckerhöhungen zu kompensieren sowie solche Unterdrücke abzufangen, die nicht ausreichend sind, um ein Öffnen des Rückschlagventils 16a zu verursachen.
Die Fig. 8 bis 12 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine erfindungsgemäße Verdampfereinheit 34 in bevorzugten Ausführungsformen. Die Verdampfereinheit 34 umfasst jeweils eine erfindungsgemäße Kartusche 10. Das Reservoir 12 ist dabei zweiteilig ausgeführt und ist zylinderförmig. Durch das Reservoir 12 erstreckt sich in dieser Ausgestaltung, von einer Grundfläche 42 zur anderen, ein Schlot 40, der einen Luftkanal 36 umgibt. An diesem Schlot 40 angeordnet, umfasst die erfindungsgemäße Verdampfereinheit 34 eine Heizeinheit 30, welche ein Dochtmaterial und ein elektrisches Heizelement umfasst (nicht gezeigt). Die Heizeinheit 30 ist in der Entnahmeöffnung 14 angeordnet, sodass das Dochtmaterial in der Entnahmeöffnung 14 angeordnet ist und sodass die Flüssigkeit aus dem Reservoir 12 über das Dochtmaterial zum elektrischen Heizelement gelangen kann.
In den gezeigten Ausführungsformen handelt es sich bei dem eingesetzten elektrischen Heizelement um einen plattenförmigen Heizerchip, aus einem dotierten Halbleitermaterial, welcher von einer Vielzahl von Mikrokanälen durchzogen ist, die eine flüssigkeitsleitende Verbindung zwischen der dem Dochtmaterial zugewandten Seite des Heizerchips und einer dem Luftkanal 36 zugewandten Seite des Heizerchips bereitstellen.
Die offenbarte Heizeinheit 30 umfasst Dichtelemente zur Einfassung des elektrischen Heizelements und ist an der Entnahmeöffnung 14 fluiddicht so mit dem Reservoir 12 verbunden, dass Flüssigkeit und Gas aus dem Inneren 18 des Reservoirs 12 durch die Entnahmeöffnung 14 ausschließlich durch die Heizeinheit 30, d.h. das Dochtmaterial und das elektrische Heizelement, hindurch hinaustreten können. In den dargestellten Ausführungsformen ist das elektrische Heizelement und das Dochtmaterial zusammen so ausgelegt, dass diese bis zu einer Druckdifferenz zwischen dem Innendruck im Reservoir 12 und dem Außendruck von 1 kPA keine Flüssigkeitsdurchtritt durch die Entnahmeöffnung 14 und durch das Heizelement 30 hindurch erlauben.
Die in den Fig. 8 bis 10 offenbarten erfindungsgemäßen Verdampfereinheiten 34 weisen jeweils ein Element zur Druckregulierung 16 auf, wobei es sich um ein Rückschlagventil 16a, nämlich ein Lippenventil, eine gasdurchlässige aber flüssigkeitsundurchlässige Membran 16b, nämlich eine hydrophobe Membran aus Polytetrafluorethylen bzw. einen deformierbaren Wandabschnitt 16c, nämlich einen deformierbaren Beutel aus gummielastischem Kunststoff, welcher ein Elastomer umfasst, welches aus Silikonkautschuk hergestellt wurde, und der in das Reservoir 12 hineinragt.
Im Gegensatz hierzu umfassen die erfindungsgemäßen Verdampfereinheiten 34, die in den Fig. 11 und 12 dargestellt sind, jeweils zwei der vorstehend bezeichneten Elemente zur Druckregulierung 16, die auf unterschiedlichen Seiten des Reservoirs 12 angeordnet sind, wobei Fig. 11 die Kombination eines Rückschlagventils 16a mit einer gasdurchlässigen aber flüssigkeitsundurchlässigen Membran 16b offenbart, während Fig. 12 die Kombination eines Rückschlagventils 16a mit einem deformierbaren Wandabschnitt 16c zeigt.
Die in den Fig. 2 bis 6 gezeigten erfindungsgemäßen Kartuschen 10 können zusammen mit einer Heizeinheit 30 ebenso in erfindungsgemäßen Verdampfersystemen eingesetzt werden wie die in den Fig. 8 bis 12 offenbarten erfindungsgemäßen Verdampfereinheiten 34. Hierfür müssen diese mit zumindest einer elektrischen Energiequelle für den Betrieb des elektrischen Heizelements kombiniert werden. Die in den Fig. 8 bis 12 offenbarten Verdampfereinheiten 34 sind dabei als Einwegteil konzipiert, die reversibel und zerstörungsfrei lösbar mit einem die elektrische Energiequelle umfassende Mehrwegteil verbunden werden können, sodass nicht nur ein fluidleitender Kontakt zwischen dem Reservoir 12 und dem elektrischen Heizelement in der Heizeinheit 30 besteht, sondern auch ein elektrischer Kontakt zwischen der elektrischen Energiequelle und dem elektrischen Heizelement. Im Gegensatz hierzu sind die in den Fig. 2 bis 6 offenbarten erfindungsgemäßen Kartuschen 10 in der dargestellten Form für den Einsatz mit einem wiederverwertbaren Fleizer vorgesehen, welcher beispielsweise gemeinsam mit der elektrischen Energiequelle im Mehrwegteil angeordnet sein kann, oder in einem dritten Teil als weiteres Bauteil bereitgestellt wird. Die erfindungsgemäßen Kartuschen 10 werden hierfür in ihrem Innenraum 18 mit einer zu verdampfenden Zusammensetzung gefüllt, wobei die Zusammensetzung beispielsweise Nikotin, 1 ,2-Propandiol, Glycerin und Wasser umfasst. Nach dem Befüllen wird die Entnahmeöffnung 14 verschlossen, beispielsweise mit einem Kunststofffilm. Vor der Benutzung wird der Kunststofffilm über der Entnahmeöffnung 14 entfernt oder irreversibel zerstört und die erfindungsgemäße Kartusche 10 wird mit dem Mehrwegteil reversibel und zerstörungsfrei lösbar verbunden, sodass die Entnahmeöffnung 14 in Kontakt mit der Heizeinheit 30 angeordnet ist. In den in den Fig. 8 bis 12 gezeigten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Verdampfereinheit 34 sind die Elemente zur Druckregulierung 16 jeweils so in der Kartusche 10 angeordnet, dass diese bei einem Einbau in ein Verdampfersystem nicht auf oder in der Außenhülle des Verdampfersystems angeordnet sind. Dies ist dadurch bedingt, dass die Grundflächen 42 zur Verbindung der erfindungsgemäßen Verdampfereinheit 34 mit dem Mehrwegteil vorgesehen sind, oder in der Praxis mit einem Mundstück bedeckt werden, welches die Elemente zur Druckregulierung abschirmt.
Bezuaszeichen
10 Kartusche
12 Reservoir
14 Entnahmeöffnung 16 Element zur Druckregulierung
16a Rückschlagventil
16b Membran
16c deformierbarer Wandabschnitt
18 Inneres des Reservoirs 20 Wand des Reservoirs
30 Heizeinheit
34 Verdampfereinheit
36 Luftkanal
40 Schlot 42 Grundflächen

Claims

Ansprüche
1. Kartusche (10) für eine elektronische Zigarette oder einen tragbaren Inhalator, umfassend ein starres Reservoir (12) zur Aufnahme einer Flüssigkeit, wobei das Reservoir (12) zumindest eine Entnahmeöffnung (14) aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Entnahme von Flüssigkeit aus dem Reservoir (12) heraus zu ermöglichen, wobei das Reservoir (12) ein oder mehrere Elemente zur Druckregulierung (16) im Inneren (18) des Reservoirs (12) umfasst, die in der Wand (20) des Reservoirs (12) angeordnet sind und durch die kein Austritt von Flüssigkeit aus dem Reservoir (12) heraus möglich ist, wobei die Elemente zur Druckregulierung (16) unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Liste bestehend aus
Rückschlagventilen (16a), gasdurchlässigen aber flüssigkeitsundurchlässigen Membranen
(16b), und deformierbaren Wandabschnitten (16c).
2. Kartusche (10) nach Anspruch 1 , wobei das Reservoir (12) aus ein oder mehreren Materialien besteht, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Glas, Kristall, Metall, Keramik, Holz und Kunststoff, vorzugsweise aus Glas und Kunststoff, und/oder wobei das Reservoir (12) einstückig oder zweistückig, bevorzugt zweistückig, ausgeführt ist, und/oder wobei das Reservoir (12) so ausgelegt ist, dass bei einem Innendruck im Reservoir (12) von 120 kPa, bevorzugt von 240 kPa, besonders bevorzugt 480 kPa oder mehr, und einem Außendruck von 100 kPa Flüssigkeit ausschließlich durch die Entnahmeöffnung (14) aus dem Reservoir (12) austreten kann.
3. Kartusche (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Reservoir (12) ein Rückschlagventil (16a), vorzugsweise ein Lippenventil, umfasst, wobei das Rückschlagventil (16a) bevorzugt so ausgebildet ist, dass es bei einem Unterdrück im Reservoir gegenüber dem Außendruck von 1 kPa oder mehr, bevorzugt 2 kPa oder mehr, besonders bevorzugt 4 kPa oder mehr, öffnet, wobei das Rückschlagventil (16a) besonders bevorzugt aus einem flexiblen Material besteht, das ein oder mehrere Elastomere umfasst, welche aus Kautschuken hergestellt wurden, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Naturkautschuk und Synthesekautschuk, bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Naturkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polybutadien-Kautschuk, Nitrilkautschuk, Chloropren-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk und
Silikonkautschuk.
4. Kartusche (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Reservoir (12) eine gasdurchlässige aber flüssigkeitsundurchlässige Membran (16b), vorzugsweise eine hydrophobe Kunststoffmembran, insbesondere eine hydrophobe Membran umfassend Polytetrafluorethylen, umfasst, wobei die Membran (16b) bevorzugt so ausgebildet ist, dass sie den Durchtritt von gasförmigem Wasser und/oder gasförmigem 1 ,2-Propandiol und/oder gasförmigem Glyzerin ermöglicht.
5. Kartusche (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Reservoir (12) einen deformierbaren, vorzugsweise reversibel deformierbaren, Wandabschnitt (16c) umfasst, vorzugsweise aus einem gummielastischem Kunststoff, welcher ein oder mehrere Elastomere umfasst, welche aus Kautschuken hergestellt wurden, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Naturkautschuk und Synthesekautschuk, bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Naturkautschuk, Styrol- Butadien-Kautschuk, Polybutadien-Kautschuk, Nitrilkautschuk, Chloropren- Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk und Silikonkautschuk, wobei der deformierbare Wandabschnitt (16c) vorzugsweise als deformierbarer Beutel ausgebildet ist, der in das Reservoir (12) hineinragt oder aus dem Reservoir (12) herausragt, besonders bevorzugt in das Reservoir (12) hineinragt, und wobei das Volumen des deformierbaren Beutels ohne anliegen einer Druckdifferenz vorzugsweise kleiner ist, als das Volumen des Reservoirs (12), besonders bevorzugt weniger als 50 %, ganz besonders bevorzugt weniger als 25 %.
Kartusche (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Reservoir (12) zwei oder mehrere Elemente zur Druckregulierung (16), bevorzugt zwei, umfasst, und/oder wobei das Reservoir (12) zwei oder mehrere unterschiedliche Elemente zur Druckregulierung (16), bevorzugt zwei, umfasst, und/oder wobei das Reservoir (12) zwei oder mehrere Elemente zur Druckregulierung (16), bevorzugt zwei, umfasst, die auf der gleichen oder auf unterschiedlichen Seiten des Reservoirs (12), bevorzugt auf gleichen Seiten, angeordnet sind.
Kartusche (10) nach Anspruch 6, wobei das Reservoir (12) ein Rückschlagventil (16a) und eine gasdurchlässige aber flüssigkeitsundurchlässige Membran (16b) umfasst, und/oder wobei das Reservoir (12) ein Rückschlagventil (16a) und einen deformierbaren Wandabschnitt (16c), vorzugsweise einen reversibel deformierbaren Beutel, umfasst, und/oder wobei das Reservoir (12) eine gasdurchlässige aber flüssigkeitsundurchlässige Membran (16b) und einen deformierbaren Wandabschnitt (16c) umfasst.
8. Kartusche (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die ein oder mehrere Elemente zur Druckregulierung (16) in der Wand (20) des Reservoirs (12) angeordnet sind, die im Mittel den größten Abstand zur Entnahmeöffnung (14) aufweist, und/oder wobei der Abstand zwischen der Entnahmeöffnung (14) und den ein oder mehrere Elemente zur Druckregulierung (16) größer ist, als der mittlere Durchmesser der Entnahmeöffnung (14).
9. Verdampfereinheit (34) umfassend eine Kartusche (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zusätzlich umfassend eine Heizeinheit (30) mit einem
Dochtmaterial und mit einem elektrischen Heizelement, die so angeordnet ist, dass das Dochtmaterial in der Entnahmeöffnung (14) angeordnet ist und/oder die Entnahmeöffnung (14) bedeckt und dass Flüssigkeit aus dem Reservoir (12) über das Dochtmaterial zum elektrischen Heizelement gelangen kann.
10. Verdampfereinheit (34) nach Anspruch 9, wobei das elektrische
Heizelement eine Drahtspule oder eine Heizerfolie oder ein plattenförmiger Heizerchip ist, bevorzugt eine Heizerfolie oder ein plattenförmiger Heizerchip, besonders bevorzugt ein plattenförmiger Heizerchip aus einem dotierten oder undotierten Halbleitermaterial, welcher von einer Vielzahl von Mikrokanälen durchzogen ist, die eine flüssigkeitsleitende Verbindung zwischen der dem Dochtmaterial zugewandten Seite des Heizerchips und einer einem Luftkanal (36) zugewandten Seite des Heizerchips bereitstellen.
11 . Verdampfereinheit (34) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Heizeinheit (30) Dichtelemente zur Einfassung des elektrischen Heizelementes umfasst und an der Entnahmeöffnung (14) fluiddicht so mit dem Reservoir (12) verbunden ist, dass Flüssigkeit und Gas aus dem Inneren (18) des Reservoirs (12) durch die Entnahmeöffnung (14) ausschließlich durch die Heizeinheit (30) hindurch hinaustreten kann.
12. Verdampfereinheit (34) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , wobei das elektrische Heizelement und/oder das Dochtmaterial so ausgelegt sind, dass sie bis zu einer Druckdifferenz zwischen dem Innendruck im
Reservoir (12) und dem Außendruck von 1 kPa, bevorzugt 2 kPa, besonders bevorzugt 3 kPa, keinen Flüssigkeitsdurchtritt durch die Entnahmeöffnung (14) und durch das Heizelement hindurch ermöglichen.
13. Verdampfereinheit (34) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das
Reservoir (12) zylinderförmig oder quaderförmig ausgelegt ist und die Entnahmeöffnung (14) an einem Schlot angeordnet ist, der sich ausgehend von einer der Grundflächen (42) des Zylinders oder Quaders in das Innere (18) des Zylinders oder Quaders hinein, bevorzugt durch das gesamte Reservoir (12) hindurch, erstreckt.
14. Verdampfersystem zum Verdampfen einer Zusammensetzung, vorzugsweise für den Einsatz in einer tragbaren Verdampfungsvorrichtung, bevorzugt in einem Handgerät, besonders bevorzugt in einer E-Zigarette oder einem Inhalator für medizinische Zwecke, umfassend eine Kartusche
(10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und eine Heizeinheit (30) oder eine Verdampfereinheit (34) nach einem der Ansprüche 9 bis 13 und zumindest eine elektrische Energiequelle für den Betrieb des elektrischen Heizelements.
15. Verdampfersystem nach Anspruch 14, wobei die Kartusche (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem ersten Teil, insbesondere einem Einwegteil, angeordnet ist und die elektrische Energiequelle in einem zweiten Teil, insbesondere einem Mehrwegteil, angeordnet ist, wobei das erste Teil und das zweite Teil reversibel und zerstörungsfrei lösbar miteinander verbunden sind, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der elektrischen Energiequelle und dem elektrischen Heizelement sowie ein fluidleitender Kontakt zwischen dem Reservoir (12) und dem elektrischen Heizelement besteht.
16. Verdampfersystem nach Anspruch 15, zusätzlich umfassend ein drittes Teil, wobei die Heizeinheit (30) im ersten Teil oder im zweiten Teil oder im dritten Teil angeordnet ist, wobei das erste Teil, das zweite Teil und das dritte Teil reversibel und zerstörungsfrei lösbar miteinander verbunden sind, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der elektrischen Energiequelle und dem elektrischen Heizelement sowie ein fluidleitender Kontakt zwischen dem Reservoir (12) und dem elektrischen Heizelement besteht.
17. Verdampfersystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei ein oder mehrere Elemente zur Druckregulierung (16) so in der Kartusche (10) angeordnet sind, dass diese nicht auf oder in der Außenhülle des Verdampfersystems angeordnet sind.
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