EP4349131A1 - Verdampfungsvorrichtung für einen inhalator - Google Patents

Verdampfungsvorrichtung für einen inhalator

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EP4349131A1
EP4349131A1 EP22732932.3A EP22732932A EP4349131A1 EP 4349131 A1 EP4349131 A1 EP 4349131A1 EP 22732932 A EP22732932 A EP 22732932A EP 4349131 A1 EP4349131 A1 EP 4349131A1
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EP
European Patent Office
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temperature
resistance
evaporation
heating element
range around
Prior art date
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Pending
Application number
EP22732932.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eiko Bäumker
Thomas Bilger
Muhannad Ghanam
Timo GERACH
Uwe Pelz
Mohamad Reza SABERI
Peter Woias
Luca CONRAD
Frank GOLDSCHMIDTBÖING
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 EP4349131A1 publication Critical patent/EP4349131A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H—ELECTRICITY
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    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24F—SMOKERS' REQUISITES; MATCH BOXES; SIMULATED SMOKING DEVICES
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    • H05B2203/021—Heaters specially adapted for heating liquids

Definitions

  • the present invention relates to a vaporization device for an inhaler, comprising an electrical resistance heating element for vaporizing liquid brought into contact with the resistance heating element by means of electrical energy.
  • Such an inhaler is known, for example, from DE 10 2017 123 868 B4, DE 10 2017 123 869 B4 and DE 10 2017 123 870 B4.
  • the invention is based on the object of providing a device and a method for an inhaler which, despite the resistance of the heating element subject to tolerances, enables the heating element temperature to be determined with a tolerance which is significantly lower than the tolerance at the beginning
  • the resistance heater consists of a material in which, in a temperature range around an evaporation temperature, the change in resistance per
  • a temperature range around an evaporation temperature is a temperature range that includes at least one average evaporation temperature (for example 250°C) and the lower limit of which is above 100°C.
  • a temperature range around room temperature is a temperature range that includes room temperature (25 °C) and has an upper limit below 100 °C.
  • T 0 25 °C (room temperature)
  • a temperature sensor for measuring the heating element temperature is advantageously not provided, since the sensor and the electrical contacts for evaluating the sensor would make the vaporization device much more expensive.
  • the only thing available for measuring the temperature is the electrical resistance of the
  • the increase in temperature is calculated from the relative increase in resistance compared to the initial resistance or from the absolute resistance of the radiator.
  • the amount of steam generated also depends on the ambient temperature. At low temperatures (e.g. -20°C) more energy is required to heat the liquid up to the evaporation point, and the heat losses to the environment are also higher. Overall it turns out at the same
  • a heating element is now used that is within the tolerance range of the initial temperature (here, for example, -20°C to
  • the change in resistance per temperature interval is at least three times as large, preferably
  • the initial resistance Ro of the heater is essentially temperature-independent, or at least considerably less temperature-dependent, so that the tolerance of the initial tem
  • Such a material is boron-doped silicon, for example with a dopant concentration in the range of 4-10 18 /cm 3 . In this range, boron-doped silicon shows an almost constant specific resistance in the range from -20°C to +50°C, for example, and in
  • measuring range here, for example, greater than 200° C.
  • a linear temperature dependency of the material in the range of the evaporation or operating temperature simplifies the determination of the temperature and is therefore preferred.
  • the doping is preferably at least 10 16 /cm 3 , preferably at least 10 17 7cm 3 , more preferably at least
  • a sufficient and suitable doping level is important for achieving the desired temperature dependence of the specific resistance of the heater.
  • the doping generally depends on the semiconductor material and on the doping material 10 (foreign atoms).
  • the relative change in resistance of the heating element material per temperature interval is preferably at least 10% per 100 K. 15 In a temperature range around room temperature, the relative change in resistance of the heating element material per temperature interval is preferably at most 3.5% per 100 K.
  • Fig. 1 is a schematic view of an electronic inhala gate
  • Fig. 2 is a perspective view of a vaporization device for an inhaler
  • FIG. 3 shows a temperature characteristic of a heating element made of a material according to the invention
  • the electronic inhaler 10 here an electronic cigarette product, comprises a housing 11 in which an air duct 30 is provided between at least one air inlet opening 31 and an air outlet opening 15 at a mouth end 32 of the cigarette product 10.
  • the mouth end 32 of the cigarette product 10 denotes the end at which the consumer pulls for the purpose of inhalation and thereby applies a negative pressure to the cigarette product 10 and generates an air flow 34 in the air duct 30 .
  • the inhaler 10 comprises a vaporization device 20 and a liquid reservoir 18, which can be part of an exchangeable vaporizer cartridge 17, for example.
  • the air sucked in through the inlet opening 31 is guided in the air duct 30 as an air flow 25 to, through, or along the evaporation device 20 .
  • the evaporation device 20 is connected or connectable to the liquid storage device 18 in which at least one liquid 33 is stored.
  • the vaporization device 20 vaporizes liquid 33 which is supplied to it from the liquid reservoir 18 30 and releases the vaporized liquid as an aerosol/
  • the liquid 33 to be metered that is stored in the liquid reservoir 18 is, for example, a mixture comprising one or more of the following components in any combination: 1,2-propylene glycol, glycerol, water, at least
  • the liquid can contain at least one active substance, for example nicotine.
  • the electronic cigarette 10 also includes an electrical energy store 14 and an electronic control system
  • the energy store 14 can in particular be an electrochemical disposable battery or a rechargeable electrochemical battery, for example a lithium-ion battery. In the example shown in Figure 1, the energy storage
  • the electronic control device 15 is advantageously digital and preferably includes a microprocessor and/or microcontroller
  • the control device 15 controls the evaporation device 20 in order to supply liquid 33 from the liquid storage device 18 as an aerosol/vapor into the air flow 34
  • the evaporation device 20 comprises at least one evaporator in the form of a resistance heater 23 (see FIG. 2) and advantageously a capillary element 12 for supplying liquid 33 from the liquid reservoir 18 to the heater 23.
  • a resistance heater 23 see FIG. 2
  • a capillary element 12 for supplying liquid 33 from the liquid reservoir 18 to the heater 23.
  • the heating element 23 is electrically connected to a heating voltage source 22, which can be controlled by the electronic control device 15, via electrical lines 25.
  • the heating voltage source 22 is preferably via the electric 29 on opposite sides of the radiator 23 with the
  • the heating voltage source 22 draws electrical energy from the electrical energy store 14. Due to the ohmic resistance of the electrically conductive heating element 23
  • the current flow leads to a heating of the heating element 23 and therefore to an evaporation of liquid contained in the microchannels 27.
  • the heating element 23 thus acts as an evaporator. Vapor/aerosol generated in this way escapes from the microchannels 27 on the outlet side 26 and is mixed with the air flow 34,
  • control device 15 activates the heating voltage source 22, whereby the liquid in the micro-channels 27 in the form of vapour/aerosol is released from the micro-channels by spontaneous heating
  • the inhaler 10 advantageously comprises a digital data memory 35 for storing information or parameters relating to the evaporator cartridge 17 .
  • the data memory 35 can be part of the elec
  • the data memory 35 is advantageously information on the WO 2022/253734 gschinenbau GmbH H PCT/EP2022/064548 sa composition of the liquid stored in the liquid reservoir 18, information on the process profile, in particular power/temperature control; Data for status monitoring or system testing, for example leak testing; data regarding
  • an ID for unique identification of the evaporator cartridge 17 serial number, manufacturing date and/or expiration date, and/or number of puffs (number of inhalations puffs by the consumer) or the usage time ge stores.
  • the heating element 23 is provided with a plurality of micro-channels 27 which connect an inlet side 28 of the heating element 23 to an outlet side 26 in a fluid-conducting manner.
  • the inlet side 28 is liquid-conducting via a capillary element 12 with the liquid
  • the capillary element 12 is used for passive ven promotion of liquid 33 to be evaporated from a liquid reservoir 18 to the radiator 23 by means of capillary forces.
  • the capillary element 12 is advantageously made of a non-conductive material to prevent unwanted heating of liquid
  • the average diameter of the microchannels 27 is preferably in the range between 5 ⁇ m and 200 ⁇ m, more preferably in the range between 30 ⁇ m and 118 ⁇ m, even more preferably in the range
  • the 30 body 23, which can be referred to as the porosity of the heating element 23, is for example in the range between 10% and 18%, pre- WO 2022/253734 gschinenbau GmbH H PCT/EP2022/064548 partially in the range between 15% and 40%, even more advantageously in the range between 20% and 30%, and is for example 25%.
  • the thickness of the heater 23 and thus the length of the microchannels 27 is preferably in the range between 0.05 mm and 1 mm, white
  • 5 ter preferably in the range between 0.1 mm and 0.75 mm, even more preferably in the range between 0.2 mm and 0.5 mm and is, for example, 0.3 mm.
  • the heating element 23 is preferably block-shaped, for example
  • the heating element 23 advantageously has no macroscopic cavities apart from the microchannels 27.
  • the heater 23 can therefore be referred to as a block, bulk or volume heater.
  • the evaporation temperature is preferably in the range between 100°C and 400°C, more preferably between 150°C and 318°C, even more preferably between 190°C and 240°C.
  • the vaporization device 20 has an electronic measurement
  • circuit 19 for determining the temperature of the heater 23 by measuring the electrical resistance of the heater 23 on. Circuits for measuring the electrical resistance of a current-carrying heater are known per se.
  • a material is used for the heating element 23 that shows a comparatively small change in resistance with the temperature in the tolerance range of the initial temperature, here for example -20 °C to +50 °C, and in the range of the evaporation temperature, here for example 200 °C to 300 °C, a comparatively high resistance
  • FIG. 3 shows an example of such a temperature characteristic of a heater 23 according to the invention
  • the solid line 41 at low temperatures reflects a measurement in a climatic chamber.
  • the solid line 42 at higher temperatures is a Mes solution with an infrared camera with resistance heating of the heater body 23 again. In the range of the initial temperature between
  • the resistance of the heating element 23 only changes by about 20 m ⁇ (1.01 ⁇ 0.01 W). In the range of the evaporation temperature, here between 150° C. and 250° C., the resistance of the heating element 23 changes significantly by about 210 m ⁇ (1.14-1.35 W).
  • the initial resistance R 0 of the heater 23 is substantially tempera
  • a corresponding resistance characteristic can be achieved by using a material with a suitable temperature dependence of the specific resistance for the heating element 23 .
  • the heating element 23 advantageously consists of an electrically conductive, doped semiconductor material, preferably doped silicon. in egg
  • the material of the heating element is boron-doped silicon.
  • the boron doping level is WO 2022/253734 gschinenbau GmbH H PCT/EP2022/064548 for example in the range between 10 18 /cm 3 and 10 19 /cm 3 and is for example 4-10 18 /cm 3 .
  • FIG. 4 shows the theoretical temperature dependencies of the specific resistance of boron-doped silicon 43 in comparison to phosphorus-doped silicon 44. Applied here is the specific resistance p in W-cm over the temperature of the radiator pers 23 in °C.
  • the boron-doped silicon points 43) shows an almost constant specific resistance in the range from -20 °C to +50 °C and in the measuring range (here greater than 200 °C) a largely linear temperature dependency.
  • Phosphorus-doped silicon (item 44), on the other hand, is not suitable because the specific resistance varies greatly in the range from -20 °C to +50 °C.
  • FIG. 5 shows a measured curve of the resistance of a heating element 23 made of boron-doped silicon (solid line) together with the value calculated from the theoretical course (points) of the specific resistance. Both curves are close together and follow a very similar course.
  • the table in FIG. 6 shows the temperature T max for nine values of the initial temperature To in the range -20° C. to +50° C. when 1.28 times the initial resistance is reached and the initial resistance Ro in ohms. From the table it can be seen that for the curve shown in FIG. 3 there is a tolerance of only approx. 9 K for the temperature determination with the tolerance of the initial temperature of 70 K.

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

Eine Verdampfungsvorrichtung (20) für einen Inhalator umfasst einen elektrischen Widerstands-Heizkörper (23) zum Verdampfen von mit dem Widerstands-Heizkörper (23) in Kontakt gebrachter Flüssigkeit (33) mittels elektrischer Energie. Der Widerstands-Heizkörper (23) besteht aus einem Material, bei dem in einem Temperaturbereich um eine Verdampfungstemperatur die Widerstandsänderung pro Temperaturintervall mindestens dreimal so groß ist wie in einem Temperaturbereich um Raumtemperatur.

Description

WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548
Verdampfungsvorrichtung für einen Inhalator
5 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfungsvorrichtung für einen Inhalator, umfassend einen elektrischen Widerstands-Heiz körper zum Verdampfen von mit dem Widerstands-Heizkörper in Kontakt gebrachter Flüssigkeit mittels elektrischer Energie.
10 Ein derartiger Inhalator ist beispielsweise aus der DE 10 2017 123 868 B4, der DE 10 2017 123 869 B4 und der DE 10 2017 123 870 B4 bekannt.
Die Regelung der elektrischen Heizleistung oder der Heiztemperatur
15 eines Verdampfers in Form eines Widerstands-Heizkörpers ist wün schenswert, um eine gleichbleibende oder einstellbare Dampfmenge zu erreichen und die erhöhte Entstehung von Schadstoffen bei er höhten Temperaturen zu verhindern. Verschiedene Methoden zur Heizkörper-Regelung sind bekannt, siehe beispielsweise DE 10
20 2019 113 645 B4. Im Wesentlichen lassen diese sich in Verfahren zur Temperaturregelung und zur Leistungsregelung unterteilen. Bei de Verfahren unterliegen spezifischen Herausforderungen bei stark variierender Anfangstemperatur des Heizkörpers bzw. des Liquids.
25 Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren für einen Inhalator bereitzustellen, die trotz toleranzbehaftetem Widerstand des Heiz körpers eine Bestimmung der Heizkörpertemperatur mit einer Tole ranz ermöglicht, die deutlich geringer als die Toleranz der Anfangs
30 temperaturen ist. WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhän gigen Patentansprüche. Erfindungsgemäß besteht der Widerstands- Heizkörper aus einem Material, bei dem in einem Temperaturbereich um eine Verdampfungstemperatur die Widerstandsänderung pro
5 Temperaturintervall mindestens dreimal so groß ist wie in einem Temperaturbereich um Raumtemperatur. Ein Temperaturbereich um eine Verdampfungstemperatur ist ein Temperaturbereich, der min destens eine mittlere Verdampfungstemperatur (beispielsweise 250 °C) umfasst und dessen Untergrenze oberhalb von 100 °C liegt.
10 Ein Temperaturbereich um Raumtemperatur ist ein Temperaturbe reich, der Raumtemperatur (25 °C) umfasst und dessen Obergrenze unterhalb von 100 °C liegt.
Zur Verdeutlichung der zugrundeliegenden Problematik werden zu
15 nächst drei Fälle betrachtet: ein Normalfall mit einer Heizkörper- und Liquidtemperatur von beispielsweise T0 = 25 °C (Raumtempera tur), ein Niedertemperaturfall mit beispielsweise T0 = -20 °C (bei spielsweise Außentemperatur im extremen Winter) und ein Hoch temperaturfall mit beispielsweise T0 = 50 °C (beispielsweise Inhala
20 tor lag in der Sonne). Ein Temperatursensor zur Messung der Heiz körpertemperatur ist vorteilhaft nicht vorgesehen, da der Sensor und die elektrischen Kontakte zur Auswertung des Sensors die Ver dampfungsvorrichtung wesentlich verteuern würden. Zur Tempera turmessung steht somit lediglich der elektrische Widerstand des
25 Heizkörpers selbst zur Verfügung. Dabei wird die Temperaturerhö hung aus der relativen Widerstandserhöhung gegenüber dem An fangswiderstand oder aus dem absoluten Widerstand des Heizkör pers berechnet.
30 Bei Heizkörpern aus p-dotiertem Silizium beträgt die relative Wider standsänderung pro Temperatur ca. 0,2%/K, der Grundwiderstand WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548 eines Heizkörpers beträgt ca. 1 W. Bei einer Toleranz des Grundwi derstands von 18 mQ und der parasitärer Zuleitungswiderstände von 18 Q entspräche der maximale Messfehler bei Verwendung des absoluten Widerstandswert 57 K und wäre somit nicht akzeptabel.
5 Bei Verwendung der auf den Anfangswiderstand bezogenen relati ven Widerstandsänderung ergäbe sich ein Toleranzfenster von nur 7,7 K. Demnach wird vorteilhaft ein relatives Verfahren zur Tempe raturmessung verwendet. Der Temperaturwert wird somit vorteilhaft aus dem aktuellen Widerstand Rakt und dem Widerstand Ro zu Be
10 ginn des Heizvorgangs berechnet. Dies führt jedoch zu einem Prob lem, wenn die Anfangstemperatur To nicht bekannt ist, da sich diese Ungewissheit (70 K im genannten Beispiel) auch auf das Messer gebnis auswirkt.
15 Im Fall einer Leistungsregelung oder Leistungssteuerung, ggf. mit Abschaltung bei zu hohen Temperaturen zur Vermeidung von über mäßiger Schadstoffentstehung, tritt im Prinzip dasselbe Problem auf. Die Abschaltung bei zu hohen Temperaturen kann nur dann er folgen, wenn die Temperatur genügend genau bestimmt werden
20 kann. Zudem hängt auch die generierte Dampfmenge von der Um gebungstemperatur ab. Bei niedrigen Temperaturen (beispielsweise -20°C) muss mehr Energie aufgewendet werden, um das Liquid bis zum Verdampfungspunkt aufzuwärmen, zudem sind die Wärmever luste an die Umgebung höher. Insgesamt stellt sich bei gleicher
25 Heizleistung somit eine deutlich geringere Dampfmenge als bei ho hen Anfangstemperaturen (beispielsweise 50°C) ein.
Erfindungsgemäß wird nun ein Heizelement verwendet, dass im To leranzbereich der Anfangstemperatur (hier beispielsweise -20°C bis
30 + 50°C) eine vergleichsweise geringe Widerstandsänderung zeigt und im Bereich der Verdampfungstemperatur (hier beispielsweise WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548
200°C bis 300°C) eine vergleichsweise hohe Widerstandsänderung mit der Temperatur aufweist. Genauer ist in einem Temperaturbe reich um eine Verdampfungstemperatur die Widerstandsänderung pro Temperaturintervall mindestens dreimal so groß, vorzugsweise
5 mindestens fünfmal so groß, weiter vorzugsweise mindestens sie benmal so groß wie in einem Temperaturbereich um Raumtempera tur. Auf diese Weise ist der Anfangswiderstand Ro des Heizkörpers im wesentlichen temperaturunabhängig, oder zumindest erheblich weniger temperaturabhängig, sodass die Toleranz der Anfangstem
10 peratur nur einen geringen oder sehr geringen Einfluss auf die ge messene Temperatur im Bereich der Verdampfungstemperatur hat.
Eine entsprechende Widerstands-Kennlinie kann erzielt werden, in dem für den Heizkörper ein Material mit geeigneter Temperaturab
15 hängigkeit des spezifischen Widerstands verwendet wird. Ein sol ches Material ist Bor-dotiertes Silizium, beispielsweise bei einer Do tierstoffkonzentration im Bereich von 4- 1018/cm3. In diesem Bereich Bor-dotiertes Silizium zeigt im Bereich von beispielsweise -20°C bis +50°C einen nahezu konstanten spezifischen Widerstand und im
20 Messbereich (hier beispielsweise größer 200°C) eine erheblich stär kere und vorteilhaft sogar weitgehend lineare Temperaturabhängig keit. Eine lineare Temperaturabhängigkeit des Materials im Bereich der Verdampfungs- bzw. Betriebstemperatur vereinfacht die Tempe raturbestimmung und ist daher bevorzugt. Generell ist eine monoto
25 ne Temperaturabhängigkeit ausreichend, damit jedem Widerstands wert eine Temperatur eindeutig zugeordnet werden kann; eine streng lineare Temperaturabhängigkeit ist also nicht zwingend er forderlich.
30 Es ist denkbar, eine geeigneter Temperaturabhängigkeit des spezi fischen Widerstands mit anderen dotierten Halbleitern, beispielswei- WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548 se Thallium-Dotierung oder Arsen-Dotierung eines Halbleiters wie beispielsweise Silizium, zu erreichen.
Vorzugsweise beträgt die Dotierung mindestens 1016/cm3, vorzugs- 5 weise mindestens 10177cm3, weiter vorzugsweise mindestens
1018/cm3. Eine ausreichende und geeignete Dotierungsstärke ist für das Erzielen der gewünschten Temperaturabhängigkeit des spezifi schen Widerstands des Heizkörpers von Bedeutung. Die Dotierung hängt generell vom Halbleitermaterial und vom Dotierungsmaterial 10 (Fremdatome) ab.
Vorzugsweise beträgt in einem Temperaturbereich um eine Ver dampfungstemperatur die relative Widerstandsänderung des Heiz körpermaterials pro Temperaturintervall mindestens 10% pro 100 K. 15 Vorzugsweise beträgt in einem Temperaturbereich um Raumtempe ratur die relative Widerstandsänderung des Heizkörpermaterials pro Temperaturintervall höchstens 3,5% pro 100 K.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungs- 20 formen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines elektronischen Inhala tors;
25
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Verdampfungsvor richtung für einen Inhalator;
Fig. 3 eine Temperaturkennlinie eines Heizkörpers aus einem 30 erfindungsgemäßen Material; WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548
Fig. 4 theoretische Temperaturabhängigkeiten des spezifi schen Widerstands von zwei Materialien im Vergleich;
Fig. 5 eine Messkurve des Widerstands eines Heizkörpers 5 aus Bor-dotiertem Silizium zusammen mit theoretisch berechneten Werten; und
Fig. 6 eine Tabelle mit Spalten Anfangstemperatur, Tempera tur bei Erreichen des 1 ,28-fachen Anfangswiderstands io und Widerstand bei Anfangstemperatur.
Der elektronische Inhalator 10, hier ein elektronisches Zigaretten produkt, umfasst ein Gehäuse 11 , in dem ein Luftkanal 30 zwischen mindestens einer Lufteinlassöffnung 31 , und einer Luftauslassöff- 15 nung 24 an einem Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 vorge sehen ist. Das Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 bezeichnet dabei das Ende, an dem der Konsument zwecks Inhalation zieht und dadurch das Zigarettenprodukt 10 mit einem Unterdrück beauf schlagt und eine Luftströmung 34 in dem Luftkanal 30 erzeugt.
20
Der Inhalator 10 umfasst eine Verdampfungsvorrichtung 20 und ei nen Flüssigkeitsspeicher 18, die beispielsweise Teil einer auswech selbaren Verdampferkartusche 17 sein können. Die durch die Ein lassöffnung 31 angesaugte Luft wird in dem Luftkanal 30 als Luft- 25 ström 34 zu der, durch die, oder an der Verdampfungsvorrichtung 20 entlang geleitet. Die Verdampfungsvorrichtung 20 ist mit dem Flüs sigkeitsspeicher 18, in dem mindestens eine Flüssigkeit 33 gespei chert ist, verbunden oder verbindbar. Die Verdampfungsvorrichtung 20 verdampft Flüssigkeit 33, die ihr aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 30 zugeführt wird, und gibt die verdampfte Flüssigkeit als Aerosol/
Dampf an einer Auslassseite 26 der Verdampfungsvorrichtung 20 in WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548 den Luftstrom 34 zu. Die in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicher te, zu dosierende Flüssigkeit 33 ist beispielsweise eine Mischung umfassend einen oder mehrere der folgenden Bestandteile in belie biger Kombination: 1 ,2-Propylenglykol, Glycerin, Wasser, mindes
5 tens ein Aroma (Flavour). Die Flüssigkeit kann mindestens einen Wirkstoff, beispielsweise Nikotin, enthalten.
Die elektronische Zigarette 10 umfasst des Weiteren einen elektri schen Energiespeicher 14 und eine elektronische Steuerungsvor
10 richtung 15, die beispielsweise in einem Basisteil 16 des Inhalators 10 angeordnet sein können. Der Energiespeicher 14 kann insbeson dere eine elektrochemische Einweg-Batterie oder ein wiederauflad barer elektrochemischer Akku, beispielsweise ein Lithium-Ionen- Akku, sein. In dem in Figur 1 gezeigten Beispiel ist der Energiespei
15 cher 14 in einem dem Mundende 32 abgewandten Teil des Inhala tors 10 angeordnet. Die Verdampferkartusche 17 ist vorteilhaft zwi schen dem Energiespeicher 14 und dem Mundende 32 angeordnet. Die elektronische Steuerungsvorrichtung 15 ist vorteilhaft digital und umfasst vorzugsweise einen Mikroprozessor und/oder Microcontrol-
20 ler.
In dem Gehäuse 11 ist vorteilhaft ein Sensor 13, beispielsweise ein Drucksensor oder ein Druck- oder Strömungsschalter, angeordnet, wobei die Steuerungsvorrichtung 15 auf der Grundlage eines von
25 dem Sensor 13 ausgegebenen Sensorsignals feststellen kann, dass ein Konsument am Mundende 32 des Inhalators 10 zieht, um zu in halieren. In diesem Fall steuert die Steuerungsvorrichtung 15 die Verdampfungsvorrichtung 20 an, um Flüssigkeit 33 aus dem Flüs sigkeitsspeicher 18 als Aerosol/Dampf in den Luftstrom 34 zuzuge
30 ben. WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548
Die Verdampfungsvorrichtung 20 umfasst mindesten einen Ver dampfer in Form eines Widerstands-Heizkörpers 23 (siehe Figur 2) und vorteilhaft ein Kapillarelement 12 zum Zuführen von Flüssigkeit 33 aus dem Flüssigkeitsreservoir 18 zu dem Heizkörper 23. Im Be
5 triebszustand des Inhalators 10 ist der Heizkörper 23 mit einer von der elektronischen Steuerungsvorrichtung 15 steuerbaren Heiz spannungsquelle 22 über elektrische Leitungen 25 elektrisch ver bunden. Die Heizspannungsquelle 22 ist vorzugsweise über Elektro den 29 an gegenüberliegenden Seiten des Heizkörpers 23 mit die
10 sem verbunden, so dass eine von der Heizspannungsquelle 22 er zeugte elektrische Heizspannung Uh zu einem Stromfluss durch den Heizkörper 23 führt. Die Heizspannungsquelle 22 bezieht elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher 14. Aufgrund des Ohmschen Widerstands des elektrisch leitenden Heizkörpers 23
15 führt der Stromfluss zu einer Erhitzung des Heizkörpers 23 und da her zu einer Verdampfung von in den Mikrokanälen 27 enthaltener Flüssigkeit. Der Heizkörper 23 wirkt somit als Verdampfer. Auf diese Weise erzeugter Dampf/Aerosol entweicht zur Auslassseite 26 aus den Mikrokanälen 27 und wird der Luftströmung 34 beigemischt,
20 siehe Figur 1. Genauer steuert bei Feststellung eines durch Ziehen des Konsumenten verursachten Luftstroms 34 durch den Luftkanal 30 die Steuerungsvorrichtung 15 die Heizspannungsquelle 22 an, wobei durch spontane Erhitzung die in den Mikrokanälen 27 befind liche Flüssigkeit in Form von Dampf/Aerosol aus den Mikrokanälen
25 27 getrieben wird.
Der Inhalator 10 umfasst vorteilhaft einen digitalen Datenspeicher 35 zum Speichern von die Verdampferkartusche 17 betreffender In formation bzw. Parameter. Der Datenspeicher 35 kann Teil der elek
30 tronischen Steuerungsvorrichtung 15 oder mit dieser verbunden sein. In dem Datenspeicher 35 ist vorteilhaft Information zur Zu- WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548 sa ensetzung der in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicherten Flüssigkeit, Information zum Prozessprofil, insbesondere Leistungs- /Temperatursteuerung; Daten zur Zustandsüberwachung bzw. Sys temprüfung, beispielsweise Dichtigkeitsprüfung; Daten betreffend
5 Kopierschutz und Fälschungssicherheit, eine ID zur eindeutigen Kennzeichnung der Verdampferkartusche 17, Seriennummer, Her stelldatum und/oder Ablaufdatum, und/oder Zugzahl (Anzahl der In halationszüge durch den Konsumenten) bzw. der Nutzungszeit ge speichert.
10
Der Heizkörper 23 ist mit einer Mehrzahl von Mikrokanälen 27 ver sehen, die eine Einlassseite 28 des Heizkörpers 23 mit einer Aus lassseite 26 flüssigkeitsleitend verbinden. Die Einlassseite 28 ist über ein Kapillarelement 12 flüssigkeitsleitend mit dem Flüssig
15 keitsspeicher 18 verbunden. Das Kapillarelement 12 dient zur passi ven Förderung von zu verdampfender Flüssigkeit 33 aus einem Flüssigkeitsspeicher 18 zu dem Heizkörper 23 mittels Kapillarkräf ten. Das Kapillarelement 12 besteht vorteilhaft aus einem nichtlei tenden Material, um eine unerwünschte Erwärmung von Flüssigkeit
20 in dem Kapillarelement 12 durch Stromfluss zu vermeiden.
Der mittlere Durchmesser der Mikrokanäle 27 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 5 pm und 200 pm, weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 30 pm und 118 pm, noch weiter vorzugsweise im Bereich
25 zwischen 18 pm und 100 pm. Aufgrund dieser Abmessungen wird vorteilhaft eine Kapillarwirkung erzeugt, so dass an der Einlassseite 28 in einen Mikrokanal 27 eindringende Flüssigkeit durch den Mikrokanal 27 nach oben steigt, bis der Mikrokanal 27 mit Flüssig keit gefüllt ist. Das Volumenverhältnis von Mikrokanälen 27 zu Heiz
30 körper 23, das als Porosität des Heizkörpers 23 bezeichnet werden kann, liegt beispielsweise im Bereich zwischen 10% und 18%, vor- WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548 teilhaft im Bereich zwischen 15% und 40%, noch weiter vorteilhaft im Bereich zwischen 20% und 30%, und beträgt beispielsweise 25%. Die Dicke des Heizkörpers 23 und somit die Länger der Mikrokanäle 27 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm, wei
5 ter vorzugsweise im Bereich zwischen 0, 1 mm und 0,75 mm, noch weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 mm und 0,5 mm und beträgt beispielsweise 0,3 mm.
Der Heizkörper 23 ist vorzugsweise blockförmig, beispielsweise
10 quaderförmig, und vorzugsweise monolithisch, d.h. der Heizkörper 23 weist abgesehen von den Mikrokanälen 27 vorteilhaft keine makroskopischen Hohlräume auf. Der Heizkörper 23 kann daher als Block-, Bulk- oder Volumen-Heizkörper bezeichnet werden.
15 Die Verdampfungstemperatur liegt vorzugsweise im Bereich zwi schen 100 °C und 400 °C, weiter bevorzugt zwischen 150 °C und 318 °C, noch weiter bevorzugt zwischen 190 °C und 240 °C.
Die Verdampfungsvorrichtung 20 weist eine elektronische Mess
20 schaltung 19 zur Bestimmung der Temperatur des Heizkörpers 23 durch Messung des elektrischen Widerstands des Heizkörpers 23 auf. Schaltungen zur Messung des elektrischen Widerstands eines stromdurchflossenen Heizkörpers sind per se bekannt.
25 Für den Heizkörper 23 wird ein Material verwendet, dass im Tole ranzbereich der Anfangstemperatur, hier beispielsweise -20 °C bis +50 °C, eine vergleichsweise geringe Widerstandsänderung mit der Temperatur zeigt und im Bereich der Verdampfungstemperatur, hier beispielsweise 200 °C bis 300 °C, eine vergleichsweise hohe Wider
30 standsänderung mit der Temperatur aufweist. WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548
Figur 3 zeigt beispielhaft eine solche Temperaturkennlinie eines er findungsgemäßen Heizkörpers 23. Dort ist die Temperatur in °C über dem Gesamtwiderstand des Heizkörpers 23 in Ohm aufgetra gen. Die gestrichelte Kurve 40 zeigt beispielhaft eine Fit-Kurve als
5 Berechnungsgrundlage. Die durchgezogen Linie 41 bei niedrigen Temperaturen gibt eine Messung in einer Klimakammer wieder. Die durchgezogene Linie 42 bei höheren Temperaturen gibt eine Mes sung mit einer Infrarot-Kamera bei Widerstandsheizung des Heiz körpers 23 wieder. Im Bereich der Anfangstemperatur zwischen
10 -20 °C und +50 °C ändert sich der Widerstand des Heizkörpers 23 lediglich um etwa 20 mQ (1 ,01 ±0,01 W). Im Bereich der Verdamp fungstemperatur, hier zwischen 150 °C und 250 °C, ändert sich der Widerstand des Heizkörpers 23 signifikant um etwa 210 mQ (1 , 14— 1 ,35 W). Die Widerstandsänderung pro Temperaturintervall in einem
15 Temperaturbereich um eine Verdampfungstemperatur bezogen auf die Widerstandsänderung pro Temperaturintervall in einem Tempe raturbereich um Raumtemperatur beträgt in diesem Beispiel also (210 mQ/100 °C)/(20 mQ/70 °C) = 7,35. Auf diese Weise ist der An fangswiderstand R0 des Heizkörpers 23 im Wesentlichen tempera
20 turunabhängig, oder zumindest erheblich weniger temperaturabhän gig, sodass die Toleranz der Anfangstemperatur nur einen geringen oder sehr geringen Einfluss auf die gemessene Temperatur im Be reich der Verdampfungstemperatur hat.
25 Eine entsprechende Widerstands-Kennlinie kann erzielt werden, in dem für den Heizkörper 23 ein Material mit geeigneter Temperatur abhängigkeit des spezifischen Widerstands verwendet wird. Der Heizkörper 23 besteht vorteilhaft aus einem elektrisch leitenden, dotierten Halbleitermaterial, vorzugsweise dotiertem Silizium. In ei
30 ner besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Material des Heizkörpers Bor-dotiertes Silizium. Die Bor-Dotierungsstärke liegt WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548 beispielsweise im Bereich zwischen 1018/cm3 und 1019/cm3 und be trägt beispielsweise 4- 1018/cm3.
Figur 4 sind die theoretischen Temperaturabhängigkeiten des spezi- 5 fischen Widerstands von Bor-dotiertem Silizium 43 im Vergleich zu Phosphor-dotiertem Silizium 44 gezeigt. Aufgetragen ist hier der spezifische Widerstand p in W-cm über der Temperatur des Heizkör pers 23 in °C. Das Bor-dotierte Silizium (Punkte 43) zeigt im Bereich von -20 °C bis +50 °C einen beinahe konstanten spezifischen Wi- 10 derstand und im Messbereich (hier größer 200°C) eine weitgehend lineare Temperaturabhängigkeit. Phosphor-dotiertes Silizium (Punk te 44) ist hingegen nicht geeignet, da der spezifische Widerstand im Bereich von -20 °C bis +50 °C stark veränderlich ist.
15 Figur 5 zeigt eine Messkurve des Widerstands eines Heizkörpers 23 aus Bor-dotiertem Silizium (durchgezogene Line) zusammen mit dem aus dem theoretischen Verlauf (Punkte) des spezifischen Wi derstands berechneten Wert. Beide Kurven liegen nahe beieinander und haben einen sehr ähnlichen Verlauf.
20
Die Tabelle in Figur 6 zeigt für neun Werte der Anfangstemperatur To im Bereich -20 °C bis +50 °C die Temperatur Tmax bei Erreichen des 1 ,28-fachen Anfangswiderstands und den Anfangswiderstand Ro in Ohm. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass für die in Figur 3 dar- 25 gestellte Kurve eine Toleranz der Temperaturbestimmung von ledig lich ca. 9 K bei der Toleranz der Anfangstemperatur von 70 K auf- tritt.

Claims

WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548 Ansprüche:
1. Verdampfungsvorrichtung (20) für einen Inhalator, umfassend einen elektrischen Widerstands-Heizkörper (23) zum Verdamp
5 fen von mit dem Widerstands-Heizkörper (23) in Kontakt ge brachter Flüssigkeit (33) mittels elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstands-Heizkörper (23) aus ei nem Material besteht, bei dem in einem Temperaturbereich um eine Verdampfungstemperatur die Widerstandsänderung pro
10 Temperaturintervall mindestens dreimal so groß ist wie in ei nem Temperaturbereich um Raumtemperatur.
2. Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekenn zeichnet, dass bei dem Material des Widerstands-Heizkörpers
15 (23) in einem Temperaturbereich um eine Verdampfungstem peratur die Widerstandsänderung pro Temperaturintervall min destens fünfmal, vorzugsweise mindestens siebenmal so groß ist wie in einem Temperaturbereich um Raumtemperatur.
20 3. Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Wi derstands-Heizkörpers (23) in einem Bereich um eine Ver dampfungstemperatur eine monotone Widerstandsänderung mit der Temperatur aufweist.
25
4. Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Wi derstands-Heizkörpers (23) in einem Bereich um eine Ver dampfungstemperatur eine näherungsweise lineare Wider
30 standsänderung mit der Temperatur aufweist. WO 2022/253734 gschinenbau GmbH HPCT/EP2022/064548
5. Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Wi derstands-Heizkörpers (23) ein dotiertes Halbleitermaterial, insbesondere dotiertes Silizium ist.
5
6. Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, dass das Halbleitermaterial eine Bor-Dotierung auf weist.
10 7. Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial eine Thallium- Dotierung und/oder eine Arsen-Dotierung aufweist.
8. Verdampfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
15 dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung des Heizkörpers (23) mindestens 1016/cm3, vorzugsweise mindestens 1017/cm3, weiter vorzugsweise mindestens 1018/cm3 beträgt.
9. Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden An
20 sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Temperatur bereich um eine Verdampfungstemperatur die relative Wider standsänderung des Heizkörpers (23) pro Temperaturintervall mindestens 10% pro 100 K beträgt.
25 10. Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Temperatur bereich um Raumtemperatur die relative Widerstandsänderung des Heizkörpers (23) pro Temperaturintervall höchstens 3,5% pro 100 K beträgt.
30
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