EP4489597A1 - Vorrichtung zum transferieren von einem wirkstoff in eine gasphase - Google Patents

Vorrichtung zum transferieren von einem wirkstoff in eine gasphase

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Publication number
EP4489597A1
EP4489597A1 EP23724217.7A EP23724217A EP4489597A1 EP 4489597 A1 EP4489597 A1 EP 4489597A1 EP 23724217 A EP23724217 A EP 23724217A EP 4489597 A1 EP4489597 A1 EP 4489597A1
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EP
European Patent Office
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layer
heating element
film
layers
active ingredient
Prior art date
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Pending
Application number
EP23724217.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marco Schossig
Tobias Ott
Stefan Wolf
Florian Krogmann
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Innovative Sensor Technology IST AG
Original Assignee
Innovative Sensor Technology IST AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Innovative Sensor Technology IST AG filed Critical Innovative Sensor Technology IST AG
Publication of EP4489597A1 publication Critical patent/EP4489597A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/18—Water-storage heaters
    • F24H1/20—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes
    • F24H1/201—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes using electric energy supply
    • F24H1/202—Water-storage heaters with immersed heating elements, e.g. electric elements or furnace tubes using electric energy supply with resistances
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    • 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
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    • A24F40/46—Shape or structure of electric heating means
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    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B1/00—Layered products having a non-planar shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/14—Layered products comprising a layer of metal next to a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B32B3/00—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form
    • B32B3/26—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by a particular shape of the outline of the cross-section of a continuous layer; characterised by a layer with cavities or internal voids ; characterised by an apertured layer
    • B32B3/266—Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar shape; Layered products comprising a layer having particular features of form characterised by a particular shape of the outline of the cross-section of a continuous layer; characterised by a layer with cavities or internal voids ; characterised by an apertured layer characterised by an apertured layer, the apertures going through the whole thickness of the layer, e.g. expanded metal, perforated layer, slit layer regular cells B32B3/12
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/02—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by structural features of a fibrous or filamentary layer
    • B32B5/022—Non-woven fabric
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/0033—Heating devices using lamps
    • H05B3/0038—Heating devices using lamps for industrial applications
    • H05B3/0052—Heating devices using lamps for industrial applications for fluid treatments
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H05B3/26—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional [2D] plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • 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
    • A24F40/20—Devices using solid inhalable precursors
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    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2250/00—Layers arrangement
    • B32B2250/42—Alternating layers, e.g. ABAB(C), AABBAABB(C)
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/002—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements
    • H05B2203/007—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements using multiple electrically connected resistive elements or resistive zones
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/013—Heaters using resistive films or coatings

Definitions

  • the invention relates to a device for transferring an active ingredient into a gas phase, which active ingredient contains at least one organic component.
  • a variety of hand-held vapor-generating devices for consumption are known from the prior art. What all of these devices have in common is that they are designed to hold a consumer product or “consumables” that contain a solid or liquid medium.
  • the solid or liquid medium contains active ingredient and is heated by a heating element of the device so that the active ingredient is transferred into a gas phase and thus assumes a gaseous state or an aerosol form. This gas phase is then inhaled by a consumer or user.
  • liquids containing the active ingredient can be, for example, nicotine, a medicinal active ingredient or drug- and nicotine-free, for example in the case of tea.
  • the liquid usually consists of a mixture of glycerin, 1,2-propanediol, flavors and nicotine.
  • HnB Tobacco Heat-not-Burn
  • tobacco heaters in particular heat-not-burn products.
  • Tobacco Heat-not-Burn (HnB) products represent an alternative to conventional cigarettes. They use heating elements installed in a heating chamber to heat the tobacco containing nicotine as an active ingredient instead of burning it. The result of heating is an aerosol containing nicotine in the gas phase, which is inhaled by the user.
  • HnB products differ from other types of vapor generators in that real tobacco is heated rather than a liquid containing nicotine.
  • the consumer product is designed as a tobacco stick, which is introduced into a heating chamber of the HnB product, typically pierced by the heating element and then heated by the heating element or by the walls of the heating chamber.
  • HnB products commercially available on the market (e.g. “IQOS” from PMI, “LilPlus” from KT&G, “Glo” from BAT, “IUOC 2” from SYT, “Monk” from CT, etc.) and other types of Steam generators use electronically controlled heating elements based on resistive (Joule) heating.
  • the invention is based on the object of presenting such a device which allows an energy-efficient transfer of an active ingredient into a gas phase with high long-term stability.
  • a device for transferring an active ingredient into a gas phase, which active ingredient contains at least one organic component comprising:
  • a heating element one which is made of a foil made of a nickel-chromium alloy or a refractory metal, wherein the heating element is designed to emit thermal radiation, and wherein the heating element is arranged with respect to the reservoir such that the active ingredient is at least by means of the Heating element emitted heat radiation is heated.
  • a film is used as a heating element.
  • the film is thin and has a thickness in a range of approximately 0.5 pm to 25 pm. It has been shown that such a film, especially if it consists of a nickel-chromium (NiCr) alloy, emits heat radiation in the infrared wavelength range when exposed to an electrical current or an electrical voltage. Heating the active ingredient is therefore very efficient because the heat is transferred not only via thermal conduction (when the active ingredient comes into contact with the heating element), but also via thermal radiation. In the same period of time, the heating element of the device according to the invention can therefore introduce more heat into the active ingredient than in heating elements used in devices known from the prior art.
  • NiCr nickel-chromium
  • the thermal radiation in the infrared wavelength range interacts particularly well with the organic components of the active ingredient, so that heating occurs even more efficiently.
  • a heating element emits a particularly large amount of heat radiation in the wavelength range in which glycerin, which is a component of many liquids for e-cigarettes, is mainly absorbed (in the range around 3 pm wavelength).
  • Such a heating element combines a low thermal mass (resulting in fast heating rates of up to 2000 Kelvin per second) with good mechanical stability, which increases the long-term stability compared to devices known from the prior art.
  • active ingredient and “reservoir” should be understood broadly in the context of the device according to the invention.
  • Active ingredients include medical active ingredients such as herbs or medications, plant-based active ingredients, nicotine, etc., but also drug- and nicotine-free active ingredients such as flavorings, etc.
  • the active ingredients can be dissolved in a liquid which is added to the reservoir.
  • the natural place of origin of an active ingredient that is added to the device can also be referred to as a reservoir, for example tobacco in the case of the active ingredient nicotine (see, for example, tobacco sticks for HnB products).
  • such a device can include one or more of the following components: a mouthpiece for receiving the gas phase by a user, an electrical energy supply unit, for example a battery or accumulator, control electronics or regulation /Evaluation unit for controlling the heating element, at least one control element for starting the heating process by an operator and a housing in which the aforementioned components are arranged.
  • a mouthpiece for receiving the gas phase by a user
  • an electrical energy supply unit for example a battery or accumulator
  • control electronics or regulation /Evaluation unit for controlling the heating element
  • at least one control element for starting the heating process by an operator
  • a housing in which the aforementioned components are arranged.
  • the heating element is arranged with respect to the reservoir in such a way that a contactless heat transfer is established by means of the emitted heat radiation from the heating element to the active ingredient.
  • the heating element itself is therefore not in heat-conducting contact with the reservoir or the active ingredient, so that the heat transfer takes place essentially via the heat radiation emitted by the heating element.
  • An advantageous embodiment of the first variant of the device according to the invention provides that the heating element is inserted into a housing, the housing having a window, which window is designed to be permeable to thermal radiation, and the window is attached to the reservoir in such a way that the Window is in contact with the active ingredient.
  • the housing is, for example, an encapsulated housing, as used in IR emitters.
  • the reservoir can be arranged with respect to the window in such a way that the reservoir and/or the active ingredient is in contact with the window.
  • the heating element does not touch the window.
  • the window is made, for example, of sapphire, silicon, germanium, calcium fluoride, barium fluoride, zinc selenide, diamond or glass.
  • An advantageous alternative embodiment of the first variant of the device according to the invention provides that the heating element is arranged away from the reservoir and the heating element is directed in the direction of the reservoir in such a way that the heat radiation emitted by the heating element mainly hits the active ingredient.
  • the heating element can be installed in a housing with a window as described above.
  • the heating element is arranged with respect to the reservoir in such a way that the heating element touches the active ingredient, and that heat transfer from the heating element to the active ingredient is established by means of heat radiation and heat conduction.
  • the heating element is shaped in such a way that it has a recess for receiving a medium containing the active ingredient.
  • the medium is, for example, a liquid in which the active ingredient is dissolved.
  • Components of the reservoir itself for example parts of the tobacco leaves in the case of using a tobacco stick as a reservoir, can also be viewed as a medium.
  • the heating element has a trough or a depression into which the medium is introduced.
  • the liquid is constantly supplied by the reservoir, or that the trough or depression is filled or is filled only once per use.
  • An advantageous alternative embodiment of the second variant of the device according to the invention provides that the heating element is arranged within the reservoir in such a way that the heating element is immersed in the reservoir when the reservoir is filled and in particular is essentially completely covered with a medium containing the active ingredient.
  • the medium is, for example, a liquid in which the active ingredient is dissolved.
  • parts of the tobacco leaves can also be viewed as a medium, or as a reservoir if a tobacco stick is used.
  • the heating element is constructed in layers from layers of metal foil and fleece layers. This allows the active ingredient to be heated even more efficiently.
  • the layers of the film form the top and bottom layers of the layer composite.
  • the heating element consists of a layer of film, which is covered on both sides by a fleece layer.
  • a fleece layer To increase the heating efficiency and the amount of liquid that can be heated, the number of layers of the film - and thus the layers of fleece - can be increased.
  • a layer of film is always covered on both sides by a layer of fleece to prevent the film layers from burning through.
  • the layers of the film are electrically connected to one another in parallel or series.
  • the layers of the film In the case of a parallel connection, the layers of the film have a low electrical resistance, making this variant suitable for electrical control with high electrical currents.
  • the layers of the film In the case of a serial connection, the layers of the film have a high electrical resistance, making this variant suitable for electrical control with low electrical currents.
  • the active ingredient is contained in a liquid
  • the heating element consisting of a layered composite with a layer of the film and a fleece layer, the layered composite being rolled up in a cylindrical shape, and the fleece layer being designed is to absorb the liquid.
  • the heating element consists of a single, long layer of film, which is covered with a fleece layer. This covered layer of film is rolled up in such a way that the fleece layer is on the outward side, so that when viewed from the outside of the cylinder, only the fleece layer is visible, but not the layer of film, in order to prevent the film layer from burning through .
  • This embodiment is characterized by a high electrical resistance, which makes the heating element suitable for electrical control with low electrical currents
  • the device comprises a control/evaluation unit, wherein the control/evaluation unit is designed to determine an amount of liquid in the fleece layer or layers via a capacity measurement, the layer of the film or .
  • the layers of the film act as electrodes.
  • the layered composite acts similarly to a plate capacitor, in the latter case like a wound capacitor.
  • the layers of the film form the top and bottom layers of the layer composite.
  • the layer composite is produced by connecting the at least one layer of the film and the at least one nonwoven layer by means of thermal joining or lamination.
  • the at least one fleece layer is perforated. Additionally or alternatively, it can be provided that the at least one layer of the film is perforated.
  • the at least one layer of the film is perforated.
  • the perforation of the fleece layers is formed by using a porous fleece as the material.
  • a directed perforation is provided, in particular orthogonal to the stacking direction, in order to improve the removal of the gas phase.
  • the perforation of the layer(s) of the film can also be non-directional.
  • the electrical resistance of the layers of the film can be adjusted through a targeted design of the perforation: If perforations are perforated orthogonally to the direction of the current, the electrical resistance of the layer(s) increases - but in the direction of the current there is no effect apart from reducing the cross-sectional area of the film on the electrical resistance.
  • the electrical properties of the film layer (electrical resistance, etc.) can be adapted to the electrical current provided by the energy source, so that the desired heating output is achieved.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention provides that the film consists of a first layer and a second layer applied to a first side of the film, the second layer having a nanostructuring.
  • the film consists of a first layer, a second layer applied to a first side of the film and a third layer applied to a second side of the film, the second layer and the third layer having a nanostructuring exhibit.
  • the nanostructures which also consist of the metallic material, in particular the NiCr alloy, ensure an increase in the heat radiation output due to an adjustment of the refractive index between the metal foil and the surrounding medium.
  • the nanostructuring is disordered and creates a porous surface.
  • the nanostructuring can be used advantageously for all of the aforementioned embodiments of the heating element.
  • the nanostructuring is advantageously designed in such a way that it is hydrophobic in relation to the transferred gas phase and that the nanostructuring forms channels for discharging the transferred gas phase. This can improve the removal of the gas phase formed and increase the efficiency of the heating element.
  • the nanostructures are designed, for example, as nanocones or nanorods with a very small height of less than or equal to 100 nm.
  • the nanostructuring is designed in such a way that it is hydrophilic compared to the transferred gas phase.
  • the nanostructures are designed, for example, as nanorods with a size of more than 100 nm.
  • Fig. 1 an embodiment of a heating element of the device according to the invention
  • Fig. 2 a first embodiment of the device according to the invention
  • Fig. 3 a second embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 4 a third embodiment of the device according to the invention
  • Fig. 5 a second embodiment of the device according to the invention
  • Fig. 6 an embodiment of the heating element as a layer stack
  • Fig. 7 a further embodiment of the heating element as a layer stack
  • Fig. 8 an embodiment of a rolled-up heating element
  • Fig. 9 Designs for nanostructuring of the film of the heating element.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of the heating element 100 of the device according to the invention is shown in FIG.
  • the structure of this heating element is the basis for the exemplary embodiments of the device shown in FIGS. 2 to 5.
  • the left drawing (Fig. 1a)) shows a top view of the heating element 100
  • the right drawing (Fig. 1b)) shows a side view of the heating element 100.
  • the heating element 100 includes a layer of a thin film 101 made of a NiCr alloy.
  • the thickness of the film is in an approximate range of 0.5 pm to 25 pm.
  • the film 101 is cut into the shape of a narrow strip and suspended between two contacting pins 110.
  • the attachment can be established, for example, using resistance welding.
  • the contacting pins 110 themselves are attached to a housing base 120. The formation of the film 101 as a strip and the mechanical contacting on the contacting pins 110 results in a high mechanical stability of the heating element 100.
  • the contacting pins 110 serve to electrically contact the film 101 with a voltage or current source, which serves to apply electrical power to the film. Applying the electrical voltage to the film 101 results in the film 101 heating up, causing it to emit heat radiation in the infrared spectrum.
  • heating element 100 can be arranged in a device according to the invention with respect to a reservoir 200 with an active ingredient 210.
  • the active ingredient 210 is dissolved in a liquid.
  • Fig. 2 shows a variant of the device in which there is no contact or contact between reservoir 200 and heating element 100.
  • the housing 130 of the heating element 100 is closed by placing a cap on the housing base 120 and welding it to the housing base 120.
  • the housing 130 contains a window 140, which is made of a material which is permeable to thermal radiation, in particular made of sapphire, silicon, germanium, calcium fluoride, barium fluoride, zinc selenide, diamond or glass.
  • the rest of the housing 130 is not, or significantly less, permeable to thermal radiation.
  • the reservoir 200 is arranged with respect to the housing 130 in such a way that the bottom of the reservoir 200 contacts the window 140 or that the liquid containing the active ingredient 210 contacts the window 140.
  • the thermal radiation (see arrows) from the film 101 heated by the applied electrical power hits the reservoir 200 or the liquid, whereby the liquid with the active ingredient is transferred into the gas phase by evaporation.
  • the active ingredient 210 includes an organic component, which absorbs the heat radiation particularly well and accelerates the transfer.
  • Fig. 3 shows a further variant of the device in which there is no contact or contact between reservoir 200 and heating element 100.
  • the heating element 100 is arranged away from the reservoir 200, but positioned with respect to the reservoir 200 in such a way that the thermal radiation emitted by the heating element 100 is largely directed towards the liquid in the reservoir containing the active ingredient 210, whereby it passes into the gas phase.
  • Fig. 4 shows a variant of the device in which there is a heat-conducting contact or contact between the liquid and the heating element 100.
  • the film 101 has a depression or hollow, or can be designed in the shape of a boat. The liquid is poured directly into the well. In addition to the resulting thermal radiation, the film 101 additionally heats the liquid through thermal conduction, whereby the liquid with the active ingredient 210 it contains quickly passes into the gas phase.
  • Fig. 5 shows a variant of the device in which there is a heat-conducting contact or contact between reservoir 200 and heating element 100.
  • the reservoir is attached directly to the heating element 100 so that the film 101 is completely in the liquid when the reservoir 200 is filled.
  • the housing base 130 is provided with walls so that the reservoir is formed.
  • the liquid is also heated by heat conduction from the film 101 contacting the liquid, whereby the liquid with the active ingredient 210 it contains quickly passes into the gas phase.
  • the heating element 100 shows an exemplary embodiment of a heating element 100, which is constructed fundamentally differently than the heating elements described in FIGS. 1 to 5.
  • the heating element 100 consists of a layered composite, which is made up of layers of film 101-1, 101-2, ..., 101-n and Fleece layers 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 is constructed.
  • the layers of the film 101-1, 101-2, ..., 101-n and fleece layers 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 are connected to one another, for example by lamination.
  • the individual layers of the film 101-1, 101-2, ..., 101-n can be connected in parallel or series and electrically contacted, depending on which electrical parameters are specified by the control and evaluation unit.
  • the liquid with the active ingredient 210 is located in the fleece layers 102-1, 102-2, ..., 102-n+1.
  • Each layer of the film 101-1, 101-2, ..., 101-n is in contact with two nonwoven layers 102-1, 102-2, ..., 102-n+1.
  • a high heat transfer from the layers of the film 101-1, 101-2, ..., 101-n into the active ingredient 210 is possible due to the large contact surface.
  • By applying electrical energy to the layers of the film 101-1, 101-2, ..., 101-n they heat up and give heat in the form of thermal radiation and heat conduction to the individual fleece layers 102-1 containing the liquid with the active ingredient , 102-2, ..., 102-n+1 so that it goes into the vapor phase.
  • the fleece layers 102-1, 102-2, ..., 102-n+1 are each dipped into the reservoir 200 at one of their ends, so that new liquid is constantly flowing into the fleece layers 102-1, 102-2, due to the capillary effect. ..., 102-n+1 is carried.
  • the structure of the layered composite is a plate capacitor, with the layers of the film 101-1, 101-2, ..., 101-n representing the electrodes.
  • these perforations 103 are introduced mechanically into the fleece layers 102-1, 102-2, ..., 102-n+1, in the case of FIG. 6 in the stacking direction.
  • the layers of the film 101-1, 101-2, ..., 101-n also have corresponding perforations 103 so that gases arising in the middle fleece layers can also be drained away.
  • Fig. 7 shows a similar heating element 100, as already described in Fig. 6.
  • the perforations 103 are introduced here orthogonally to the stacking direction, so that the resulting Gases can escape from each stack level.
  • the layers of the film 101-1, 101-2, ..., 101-n do not necessarily have to be provided with perforations 103.
  • Fig. 8 shows a further exemplary embodiment of a heating element 100, which uses such a fleece layer 102.
  • the upper drawing (Fig. 8a)) shows a top view of the heating element 100
  • the lower drawing (Fig. 8b)) shows a side view of the heating element 100.
  • the heating element 100 is constructed as a layer stack made of a film 101 and a fleece layer 102 applied thereto. This layer combination is rolled up into a cylinder.
  • This exemplary embodiment is characterized by a high electrical resistance because a single, long foil 101 is used, making this solution suitable for control with low electrical currents.
  • One end of the fleece layer 102 can also be dipped into the reservoir 200, so that new liquid is constantly fed into the fleece layer 102 due to the capillary effect.
  • the solution is also suitable for carrying out a capacity measurement to determine the liquid content in the fleece layer 102.
  • Perforations 103 can also be incorporated into the fleece layer to ensure that the resulting gases are removed.
  • Fig. 9 shows two examples of a special embodiment of the film 101.
  • One or two (on both sides) additional layers are applied to one - or both sides - of the film.
  • This additional layer or layers comprise nanostructures 104, in the present case consisting of a regular pattern of columns in the nanometer length range.
  • the nanostructuring can also be designed differently, in particular through a porous, irregular design of the applied layer.
  • the structure in Fig. 9 (a) is particularly suitable for use in a device as shown in Fig. 4.
  • the nanostructuring 104 ensures that the film 101 behaves hydrophobically. As a result, the liquid only touches part of the surface of the film 101, so that the resulting gas phase can be effectively removed.
  • Fig. 9 (b) is particularly suitable for use in a device such as in Figs. 6 to 10
  • Fig. 8 shown.
  • the nanostructuring forms 104 channels through which the resulting gases can be effectively dissipated. This solution can be used instead of or in addition to the perforations.
  • FIGS. 1 to 9 All of the exemplary embodiments described in FIGS. 1 to 9 are suitable for devices such as vaporizers, electronic cigarettes or tobacco heaters, in particular heat-not-burn products.
  • the active ingredients 120 can also be contained in a solid, for example in tobacco leaves.
  • a solid for example in tobacco leaves.
  • the exemplary embodiments as shown in FIGS. 1 to 5 can also be used for such solids.
  • a refractory metal can be used as the material for the film. This allows the heating element to be operated at higher temperatures, which is advantageous for the contactless variant.

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Abstract

Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Transferieren von einem Wirkstoff (210) in eine Gasphase, welcher Wirkstoff (100) mindestens einen organischen Bestandteil enthält, umfassend: - Ein Reservoir (200), welches zur Aufnahme des Wirkstoffs ausgestaltet ist; - Ein Heizelement (100), welches aus einer Folie (101) aus einer Nickel-Chrom-Legierung oder einem Refraktärmetall gefertigt ist, wobei das Heizelement (100) zum Emittieren von Wärmestrahlung ausgestaltet ist, und wobei das Heizelement derart bezüglich des Reservoirs (200) angeordnet ist, dass der Wirkstoff zumindest mittels der von dem Heizelement (100) emittierten Wärmestrahlung erhitzt wird.

Description

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

Claims

Patentansprüche Vorrichtung zum Transferieren von einem Wirkstoff (210) in eine Gasphase, welcher Wirkstoff (210) mindestens einen organischen Bestandteil enthält, umfassend:
Ein Reservoir (200), welches zur Aufnahme des Wirkstoffs ausgestaltet ist;
Ein Heizelement (100), welches aus einer Folie (101) aus einer Nickel-Chrom-Legierung oder einem Refraktärmetall gefertigt ist, wobei das Heizelement (100) zum Emittieren von Wärmestrahlung ausgestaltet ist, und wobei das Heizelement (100) derart bezüglich des Reservoirs (200) angeordnet ist, dass der Wirkstoff (210) zumindest mittels der von dem Heizelement (100) emittierten Wärmestrahlung erhitzt wird. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das Heizelement (100) derart bezüglich des Reservoirs (200) angeordnet ist, dass eine berührungslose Wärmeübertragung mittels der emittierten Wärmestrahlung von dem Heizelement (100) auf den Wirkstoff (210) etabliert ist. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Heizelement (100) in ein Gehäuse (130) eingebracht ist, wobei das Gehäuse (130) ein Fenster (140) aufweist, welches Fenster (140) für die Wärmestrahlung durchlässig ausgestaltet ist, und wobei das Fenster (140) derart an dem Reservoir (200) angebracht ist, dass das Fenster (140) mit dem Wirkstoff (210) und/oder mit dem Reservoir (200) in Kontakt steht. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Heizelement (100) entfernt von dem Reservoir (200) angeordnet ist und wobei das Heizelement (100) derart in Richtung des Reservoirs (200) gerichtet ist, dass die vom Heizelement (100) emittierte Wärmestrahlung hauptsächlich auf den Wirkstoff (210) trifft. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei das Heizelement (100) derart bezüglich des Reservoirs (200) angeordnet ist, dass das Heizelement (100) den Wirkstoff (210) berührt, und dass eine Wärmeübertragung von dem Heizelement (100) auf den Wirkstoff (210) mittels Wärmestrahlung und Wärmeleitung etabliert ist. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Heizelement (100) derart geformt ist, dass dieses eine Vertiefung zur Aufnahme einer den Wirkstoff (210) enthaltenden Mediums aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Heizelement (100) derart innerhalb des Reservoirs (200) angeordnet ist, dass das Heizelement (100) im gefüllten Zustand des Reservoirs (200) in das Reservoir (200) eingetaucht ist und insbesondere im Wesentlichen komplett mit einem den Wirkstoff (210) enthaltenden Medium bedeckt ist. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Wirkstoff (210) in einer Flüssigkeit enthalten ist, wobei das Heizelement (100) aus einem Schichtverbund mit einer n-fachen Anzahl von Schichten der Folie (101-1 , 101-2, ..., 101-n) und einer n+1-fachen Anzahl von Vliesschichten (102-1 , 102-2, ..., 102- n+1) besteht, wobei n>=1 , wobei der Schichtverbund derart aufgebaut ist, dass sich die Schichten der Folie (101-1 , 101-2, ..., 101-n) mit den Vliesschichten (102-1 , 102-2, ..., 102-n+1) abwechseln und wobei die unterste Schicht und die oberste Schicht des Schichtverbunds durch Vliesschichten (102-1 , 102-2, ..., 102-n+1) gebildet werden, und wobei die Vliesschichten (102-1 , 102-2, ..., 102- n+1) ausgestaltet sind, die Flüssigkeit aufzunehmen. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Wirkstoff (210) in einer Flüssigkeit enthalten ist, wobei das Heizelement (100) aus einem Schichtverbund mit einer n+1 -fachen Anzahl von Schichten der Folie (101-1 , 101-2, ..., 101-n) und einer n-fachen Anzahl von Vliesschichten (102-1 , 102-2, ..., 102-n+1) besteht, wobei n>=1 , wobei der Schichtverbund derart aufgebaut ist, dass sich die Schichten der Folie (101-1 , 101-2, ..., 101-n) mit den Vliesschichten (102-1 , 102-2, ..., 102-n+1) abwechseln und wobei die unterste Schicht und die oberste Schicht des Schichtverbunds durch Schichten der Folie 101-1 , 101-2, ..., 101-n) gebildet werden, und wobei die Vliesschichten (102-1 , 102-2, ..., 102-n+1) ausgestaltet sind, die Flüssigkeit aufzunehmen. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Schichten der Folie (101-1 , 101-2, ..., 101-n) elektrisch parallel oder seriell miteinander verschaltet sind. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Wirkstoff (210) in einer Flüssigkeit enthalten ist, wobei das Heizelement (100) aus einem Schichtverbund mit einer Schicht der Folie (101) und einer Vliesschicht (102) besteht, wobei der Schichtverbund zylinderförmig aufgerollt ist, und wobei die Vliesschicht (102) ausgestaltet ist, die Flüssigkeit aufzunehmen. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11 , wobei die Vliesschicht (102), bzw. die Vliesschichten (102-1 , 102-2, ..., 102-n+1) die Flüssigkeit kontaktieren, und wobei die Vliesschicht (102), bzw. die Vliesschichten (102-1 , 102-2, ..., 102-n+1) derart ausgestaltet ist, einen Kapillareffekt zum Bewegen der Flüssigkeit hin zu der Schicht der Folie, bzw. der Schichten der Folie, auszubilden. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, umfassend eine Regel- /Auswerteeinheit, wobei die Regel-ZAuswerteeinheit ausgestaltet ist, eine in der Vliesschicht (102), bzw. den Vliesschichten (102-1 , 102-2, ..., 102-n+1), befindliche Flüssigkeitsmenge über einer Kapazitätsmessung zu bestimmen, wobei die Schicht der Folie (101), bzw. die Schichten der Folie (101-1 , 101-2, ..., 101-n), als Elektroden wirken. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, wobei der Schichtverbund durch ein Verbinden der mindestens einen Schicht der Folie (101 , 101-1 , 101-2, ..., 101-n) und der mindestens einen Vliesschicht (102, 102-1 , 102-2, ..., 102-n+1) mittels eines thermischen Fügens oder Laminierens erzeugt wird. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14, wobei die zumindest eine Vliesschicht (102, 102-1 , 102-2, ..., 102-n+1) perforiert ist. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 15, wobei die zumindest eine Schicht der Folie (101 , 101-1 , 101-2, ..., 101-n) perforiert ist. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei die Folie (101) aus einer ersten Schicht und aus auf einer ersten Seite der Folie (101) aufgebrachten zweiten Schicht besteht, wobei die zweite Schicht eine Nanostrukturierung aufweist. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Folie (101) aus einer ersten Schicht, aus auf einer ersten Seite der Folie (101) aufgebrachten zweiten Schicht und aus auf einer zweiten Seite der Folie (101) aufgebrachten dritten Schicht besteht, wobei die zweite Schicht und die dritte Schicht eine Nanostrukturierung (104) aufweisen. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Nanostrukturierung (104) derart ausgestaltet ist, dass diese hydrophob gegenüber der transferierten Gasphase ist und dass die Nanostrukturierung (104) Kanäle für ein Abführen der transferierten Gasphase ausbildet. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Nanostrukturierung (104) derart ausgestaltet ist, dass diese hydrophil gegenüber der transferierten Gasphase ist.
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