WO2020109253A1 - Verfahren und vorrichtung zur temperaturregelung eines verdampfers für einen inhalator, insbesondere ein elektronisches zigarettenprodukt - Google Patents

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resistance
heating
temperature
current
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Sonali Rath
Muhannad Ghanam
Jan Jaklin
Uwe Pelz
Peter Woias
Frank GOLDSCHMIDTBÖING
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Hauni Maschinenbau Gmbh
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    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/20—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature
    • G05D23/24—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature the sensing element having a resistance varying with temperature, e.g. a thermistor
    • G05D23/2401—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature the sensing element having a resistance varying with temperature, e.g. a thermistor using a heating element as a sensing element

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for regulating the temperature of an evaporator for an inhaler, in particular an electronic cigarette product, wherein the evaporator has at least one electrical resistance heating element, and with an electronically controlled switching element, the current flow through the heating element having the switching element can be switched on and off.
  • Typical e-cigarettes on the market vaporize without temperature control.
  • the heating coils are supplied with a DC voltage or with voltage pulses.
  • the heating power then adjusts itself depending on the respective temperature-dependent total resistance of the heating circuit.
  • the heater temperature therefore not only depends on the set heating voltage, but also on the heat dissipation. However, this heat dissipation depends on other uncontrolled influencing variables, such as the ambient temperature, the liquid temperature, the heater wetting and the air flow along the heating element, so that the temperature can vary widely.
  • the effect of the dry puff the local overheating of the wire due to local lack of liquid, leads to the formation of pollutants and / or to the heater burning.
  • the object of the invention is to provide a temperature control for an evaporator, which is also relatively small Heating resistor enables precise temperature control with low heating voltage and detects local overheating early and counteracts this.
  • the invention comprises the steps of measuring the voltage applied to the heating element, measuring the current flowing through the heating element, determining the resistance of the heating element from the measured voltage and the measured current, and regulating the temperature of the heating element by controlled switching off of the switching element, so that the current flow through the heating element is interrupted when the determined resistance reaches a first critical threshold, corresponding to a temperature of the heating element that exceeds a critical temperature.
  • the invention accordingly provides for temperature control of the heating element by determining the heating resistance.
  • the heating current and the heating voltage are measured on the heating element and the heating resistor is calculated in an electronic control device, in particular according to Ohm's law.
  • a critical resistance which corresponds to a critical temperature
  • the switching element is switched off, so that the current flow through the heating element is interrupted, as a result of which the temperature of the heating element drops again and the formation of pollutants is reliably avoided.
  • the invention provides a simple and at the same time reliable temperature control for the at least one heating element. According to the invention, there is no complex regulation of the heating voltage. Rather, the heating voltage can remain essentially constant and the temperature door control is achieved by simply switching the current flow through the heating element on and off.
  • the current flow through the heating element is switched off for a predetermined period of time when the determined resistance reaches the first critical value.
  • the predetermined time is dimensioned such that the heating element cools to a temperature below a target temperature within this period.
  • the switching element is then advantageously switched on again, so that current flows through the heating element again and the latter is heated again.
  • the current flow through the heating element remains switched off until the determined resistance reaches a second critical threshold, so that the temperature of the heating element is below a critical temperature. As soon as the uncritical state is reached, the switching element is advantageously switched on again, so that current flows through the heating element again and this is heated again. In this embodiment, the current flow through the heating element is advantageously switched on periodically only for a short measurement interval in order to be able to carry out the resistance measurement. In this way, very little energy is used for the resistance measurement.
  • the switching element is preferably switched on again after the predetermined period of time has elapsed, or when the resistance determined falls below or exceeds the second critical threshold R_cu, so that current flows through the heating element again.
  • the first critical one is particularly advantageous in the case of a heating resistor made of a PTC material (positive temperature coefficient) Threshold R_co an upper threshold and the second critical threshold le R_cu a lower critical threshold, so that R_cu ⁇ R_co.
  • Threshold R_co an upper threshold
  • the second critical threshold le R_cu a lower critical threshold, so that R_cu ⁇ R_co.
  • the value for the upper resistance threshold R_co is determined by the decomposition temperature of the liquid or by the maximum after-delivery rate of the heater
  • the lower threshold R_cu can be freely set within a wide range.
  • the lower threshold le R_cu can advantageously be used to adjust the amount of steam.
  • the temperature can be regulated instead of switching off the switching element by activating the same for the pulse-width modulated voltage supply of the heating element.
  • the switching element is then advantageously used for pulse width modulation, so that the heating element cools down less quickly and can be kept stable at the desired temperature with suitable regulation.
  • the resistance R (t) of the at least one heating element is preferably determined in a time-resolved manner by the electronic control device. From the time course R (t) of the resistor, further information can be obtained, which can be used advantageously to control and / or regulate the evaporator. Furthermore, the time derivative dR (t) / dt of the resistance R (t) of the at least one heating element is advantageously determined by the electronic control device. For example, sufficient or inadequate wetting of the heating element can advantageously be determined from the heating rate d R (t) / dt, particularly at the beginning of an evaporation process. The cooling rate dR (t) / dt after switching off the heating element can also advantageously be used as a measure can be used to wet the heating element with liquid.
  • the heating rate d R (t) / dt and / or the cooling rate d R (t) / dt at a certain point in time or in a certain period of time is advantageously used as a measure of the wetting of the heating element with liquid.
  • heating rate dR (t) / dt is greater than a predetermined value, it can advantageously be concluded that there is a large vapor bubble covering significant portions of the heater surface.
  • one or more suitable measures are carried out, in particular reducing the heating output, adjusting the heater parameters, switching off the heater concerned and / or outputting an error message.
  • a temporally constant resistance of the corresponding one of the evaporation temperature resistance R is determined in response to determining what constitutes an additional useful I nformation. For example, from an an increase in the vaporization temperature of appropriate modifications tion are detected resistance R (T Ve rda pfung) is advantageously an enrichment of higher-boiling components in the liquid.
  • evaporation parameters such as the critical resistance values R_Co and / or R_cu can preferably be adapted.
  • the liquid reservoir can be rated as empty and further evaporation can be prevented.
  • the heating element, the switching element, the voltage measuring device and the current measuring device are preferably fixedly arranged on the same circuit board or on the same substrate. In this way, all accounts Clock resistances outside the device, as well as the heating voltage, do not influence the temperature measurement. All contact and line resistances within the device are low and constant due to the fixation of the elements on the board.
  • the evaporator has a plurality of resistance heating elements connected in parallel, each heating element being assigned its own measuring circuit and the electronic control device being set up to determine the resistance and to individually regulate the temperature of each heating element.
  • each heating element being assigned its own measuring circuit and the electronic control device being set up to determine the resistance and to individually regulate the temperature of each heating element.
  • the invention can control the amount of steam via the number of heating elements. If, for example, a heating element deviates from the target state, the evaporator can still be operated with the other heating elements.
  • the inhaler advantageously has a multiple xer / demultiplexer system arranged between the electronic control device and the measuring circuit (s).
  • Figure 1 is a schematic representation of an electronic cigarette product.
  • Figure 2 is a circuit diagram for a heating element associated with a measuring circuit.
  • Fig. 3 is a schematic sketch showing a multi plexer / demultiplexer system for an inhaler
  • the 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 one air outlet opening 24 at a mouth end 32 of the cigarette product 10.
  • the Mun dende 32 of the cigarette product 1 0 denotes the end at which the consumer pulls for inhalation and thereby acts on the cigarette product 1 0 with a vacuum and an air flow 34 in the air duct 30 generates.
  • the cigarette product 10 advantageously consists of a base part 16 and a consumption unit 17, which comprises an evaporator unit 20 and a liquid reservoir 18 and is in particular in the form of an exchangeable cartridge.
  • the air drawn in through the inlet opening 31 is conducted in the air duct 30 to or through the at least one evaporator unit 20.
  • the evaporator unit 20 is connected or can be connected to the liquid store 1 8, in which at least one liquid 50 is stored is.
  • the vaporizer unit 20 vaporizes liquid 50, which is supplied to it from the liquid storage 18, and gives the evaporated liquid as aerosol / vapor to an outlet side 64 in the air stream 34.
  • An advantageous volume of the liquid reservoir 18 is in the range between 0.1 ml and 5 ml, preferably between 0.5 ml and 3 ml, further preferably between 0.7 ml and 2 ml or 1.5 ml.
  • the electronic cigarette 10 further comprises an electrical energy storage device 14 and an electronic control device 1 5.
  • the energy storage device 14 is generally arranged in the base part 16 and can in particular be a disposable electrochemical battery or a rechargeable electrochemical battery, for example a lithium -Ion battery, be.
  • the energy store 14 is arranged in a part of the inhaler 10 which faces away from the mouth end 32.
  • the consumption unit 1 7 is arranged between the energy store 14 and the mouth end 32.
  • the electronic control device 15 comprises at least one digital data processing device, in particular a microprocessor and / or microcontroller, in the base part 16 (as shown in FIG. 1) and / or in the consumption unit 17.
  • a sensor for example a pressure sensor or a pressure or flow switch, is advantageously arranged in the housing 11, the control device 15 being able to determine on the basis of a sensor signal output by the sensor that a consumer is pulling the mouth end 32 of the cigarette product 10 to inhale.
  • the control device 1 5 controls the evaporator unit 20 in order to add liquid 50 from the liquid speed storage 18 as aerosol / vapor into the air stream 34.
  • the liquid 50 to be dosed stored in the liquid reservoir 18 is, for example, a mixture of 1,2-propylene glycol, glycerol, water, at least one aroma (flavor) and / or at least one active substance, in particular nicotine.
  • the evaporator unit 20 comprises at least one evaporator 60 with at least one resistance heating element 21 (see FIG. 2) and a liquid supply 1 2 for supplying liquid 50 from the liquid reservoir 1 8 to the evaporator 60.
  • a current flows through the ohmic resistance the electrically conductive heating element 21 for heating the same and therefore for evaporation of the liquid in contact with the heating element 21.
  • the heating element 21 thus acts as an evaporator 60. Vapor / aerosol produced in this way escapes from the evaporator 60 to the outlet side 64 and is mixed with the air flow 34, see FIG. 1.
  • the evaporation temperature is preferably in the range between 100 ° C and 400 ° C, more preferably between 150 ° C and 350 ° C, more preferably between 190 ° C and 290 ° C.
  • the evaporator unit 20 or the at least one evaporator 60 is arranged in a part of the consumption unit 17 facing away from the mouth end 32. An effective electrical coupling and control of the evaporator unit 20 is thus possible.
  • the air flow 34 advantageously leads through an air duct 70 that runs axially through the liquid reservoir 18 to the air outlet opening 24.
  • the consumption unit or cartridge 17 or the base part 16 advantageously comprises a non-volatile data memory 35 for storing rather of information or parameters relating to the consumption unit or cartridge 17.
  • the data memory can be part of the electronic control device 15. I n the data memory is advantageous information on the composition of the liquid stored in the liquid speed memory 1 8, information on the process profile, in particular power / temperature control; Data for condition monitoring or system testing, for example leak testing; Data relating to copy protection and counterfeit security, an ID for unambiguous identification of the consumption unit or cartridge 17, serial number, date of the animal part and / or expiry date, and / or number of trains (number of inhalation trains by the consumer) or the usage time are stored.
  • the data memory is advantageously electrically connected or can be connected to the control device 15.
  • Each Fleizelement 21 is advantageously assigned a measuring circuit 19. This is explained below with reference to FIG. 2.
  • the measuring circuit 19 is used to measure the voltage applied to the patch element and the current flowing through the patch element 21.
  • the heating voltage VH is applied.
  • the heating voltage VH can in particular be the battery voltage, ie the voltage of the energy store 14, or a voltage derived or transformed therefrom.
  • a switching element 22 is connected into the current path of the heating element 21 and can switch the current through the heating element 21 on and off, or set it as desired, by applying a control voltage V_GS to a control connection 28.
  • the switching element 22 is advantageously a transistor and further advantageously a MOSFET; in this case the control connection 28 is the gate connection and the control voltage V_GS is the gate voltage.
  • the voltage drop across the heating element 21 is measured by means of a voltage measuring device 23, which advantageously works on the basis of a differential or operational amplifier 29.
  • the inputs of the differential or operational amplifier 29 are advantageously connected to the connections of the heating element 21, possibly via resistors R5 or R7.
  • the output voltage V_Sp of the differential or operational amplifier 29 corresponds to the voltage falling across the heating element 21 or has a clear, known relationship to it.
  • the current flowing through the heating element 21 is measured by means of a current measuring device 25, which advantageously works on the basis of a differential or operational amplifier 33.
  • the inputs of the differential or operational amplifier 33 are preferably connected to the connections of a reference resistor 27 connected in series with the heating element 21, possibly via resistors R1 or R3.
  • the reference resistor has a fixed and defined resistance value and is connected in the current path of the heating element 21.
  • the switching element 22 is advantageously switched between the heating element 21 and the reference resistor 27.
  • the output voltage V_St of the differential or operational amplifier 33 is proportional to the current flowing through the heating element 21 or is in a clearly known relationship to it.
  • the measured values V_Sp and V_St are transmitted to the electronic control device 15, which calculates the resistance of the heating element 21, in particular by means of Ohm's law. net and on the basis of the determined resistance, the switching element 22 switches on and off and thus regulates the current flow through the heating element 21 in the sense of a desired ideal evaporation temperature (target temperature of the heating element 21).
  • a desired ideal evaporation temperature target temperature of the heating element 21.
  • an upper critical resistance R_co is stored in the data memory.
  • the control device 15 sets the control voltage V_GS to zero, for example, so that the switching element 22 is switched off.
  • the switching element 22 and thereby the current flow through the heating element 21 is switched on again by applying a control voltage V_GS other than zero until the determined resistance RH of the heating element 21 reaches the upper critical resistance R_co and the heating current is switched off again.
  • a lower critical resistance R_cu is additionally stored in the data memory.
  • the determined resistance RH of the heating element 21 reaches or exceeds the upper critical resistance R_co, the current flow through the heating element 21 is switched off for a predetermined time interval Ati, for example for about 2 ms, and then switched on for a short measuring interval Atm, whereby Atm ⁇ Ati, ie Atm is at least 10 times smaller than Ati and is, for example, shorter or equal to 100 ps.
  • the resistance of the heating element 21 is determined as previously described. If and as long as the measured resistance RH of the heating element 21 is above the lower critical resistance R_cu, the current flow through the heating element 21 is switched off again for a predetermined time interval Ati and then the measurement is repeated periodically. Only when the measured resistance RH of the heating element 21 reaches or falls below the lower critical resistance R_cu is the current flow through the heating element 21 switched on again and remains on as long as the measured resistance of the heating element 21 is below the upper critical resistance.
  • the evaporator unit 20 or the evaporator 60 preferably has a plurality of heating elements 21 connected in parallel, see FIG. 1, with each heating element 21 advantageously being assigned its own measuring circuit 19. All heating elements 21 are advantageously operated from the same voltage source 14 with the same heating voltage VH.
  • the heating voltage VH can be a substantially constant supply voltage and, for example, the battery voltage, i. H . correspond to the voltage of the energy source 14, or a voltage transformed therefrom.
  • control or regulation of the heating element (s) 21 is not carried out by changing the heating voltage VH, but only by switching the switching element 22 on and off and thus the current flow through the heating element (s) 21.
  • control by means of pulse width modulation can alternatively take place.
  • FIG. 3 An exemplary embodiment with four heating elements 21 and four corresponding measuring circuits 1 9_1 ... 4 is described below with reference to FIG. 3.
  • a local hot spot could also be detected much earlier because the temperature would not be averaged over the entire heater area, but only over a quarter of the area.
  • the control device 1 5 or the microcontroller must process eight analog signals, namely four measured heating voltages V_Sp_1 ... 4 and four measured heating currents V_St_1 ... 4 and four switching elements 22_1, 22_2, 22_3, 22_4 control so that with the two connections for the battery voltage a total of fourteen connections would be required without further measures.
  • the control device 1 5 or the microcontroller must process eight analog signals, namely four measured heating voltages V_Sp_1 ... 4 and four measured heating currents V_St_1 ... 4 and four switching elements 22_1, 22_2, 22_3, 22_4 control so that with the two connections for the battery voltage a total of fourteen connections would be required without further measures.
  • a reduction in the contacts can be advantageous.
  • a multiplexer 36 in the consumption unit 1 7 can pass the above-mentioned (for example eight) analog signals via a contact 37 or a signal line 38 to a demultiplexer 39 in the base part 16 and from there to the control unit 1 5.
  • a multiplexer 40 in the base unit 16 can control (for example four) control signals (gate signals) VGS 1 ... 4 via a contact 42 or a signal line 43 to a demultiplexer 41 and from there to (for example four) controllable ones Forward switching elements 22.
  • a system with the minimum number of contacts would therefore consist of two battery contacts, one analog measuring contact and two control lines, so that in total only five contacts are required.
  • the multiplexer 40 can be controlled by means of the two control lines so that the battery voltage is switched through to the different channels.
  • the measured heating current V_St_1 ... 4 is also switched to the measuring line in order to be scaled in the base part 16 with a measuring amplifier, for example a differential or operational amplifier 29, 33.
  • the scaled or amplified measured heating current V_St_1 ... 4 can then be interpreted in the control device 15.
  • An ID can also be read out via the control line by setting up a data bus, for example an I2G bus.
  • Multiplexer 36 and demultiplexer 41 can be embodied in one structural unit or as a unitary multiplexer / demultiplexer 36, 41.
  • multiplexer 40 and demultiplexer 39 can be embodied in one structural unit or as a unitary multiplexer / demultiplexer 39, 40.
  • multiplexer / demultiplexer arrangements are possible.
  • the (here four) measured voltages V_Sp1 ... 4 and the (here four) measured currents V_St1 ... 4 can each be transmitted to the control device 15 via a separate line.
  • the (here four) measured voltages V_Sp1 ... 4, the (here four) measured currents V_St1 ... 4 and the (here four) control signals can be transmitted over a single line, which increases the number of contacts again one reduced.
  • Other arrangements are possible. The decision is that multiplexers / demultiplexers can significantly reduce the number of contacts between the base part and the consumable part.
  • the measuring circuit 19 is advantageously designed such that only a very small proportion of the battery voltage drops across the switching element 22 and the reference resistor 27. This can be achieved in particular by choosing the resistance value of the reference resistor 27 to be small (at least a factor 10 smaller) in relation to the resistances of the heating element 21 or the total resistance of the heating elements 21. In this case, it is sufficient to use the voltage measuring device 23 to set the heater voltage VH to eat. The measurement of the voltage drop across each individual heater 21 (differential amplifier 23 in FIG. 2) can then advantageously be omitted and the control device 15 only has to process five analog signals for four channels.
  • the resistance of the heating elements 21 and thus their mean temperature can advantageously be determined in a time-resolved manner, i. H . RH (t) or R (t) for short is determined.
  • RH (t) the resistance of the heating element (V_Sp / V_St) determined by the control device 15 is plotted over time.
  • the control device also advantageously averages the time derivative of the function R (t), d. H. dR (t) / dt or equivalent to dT (t) / dt.
  • the thermal output generated is UH ⁇ / R (t). Part of this power leads to heating of the heating wire 21, another part heats the surrounding liquid 50 via heat conduction and finally the third part is lost via heat conduction at the ends of the heating wire 21 into the substrate 26.
  • the third part is comparatively small and is neglected in the following description.
  • the heater 21 is heated starting from the ambient temperature.
  • the heat cannot be transferred to the liquid, which is the heat transfer to the ambient air significantly lower than that of the liquid. Accordingly, in the case of a dry or partially dry heater 21, a larger part of the heating power is used to heat the wire 21. Accordingly, the heating rate dR (t) / dt or dT (t) / dt is increased compared to the ideal configuration.
  • the evaluation of the initial heating rate d R (t) / dt or dT (t) / dt can thus be used to check the wetting of the heater 21.
  • the resistance of the dry heater 21 (curve 44) changes within the first 10 ms from 1 0 W to 14 W, ie by 40%, while the resistance of the wetted heater 21 (curve 45) only changes from 1 0 W to 1 1 W , so increases by 1 0%. Accordingly, the dry heater 21 initially has an approximately four times higher heating rate.
  • the heating curves of two different liquids are shown by way of example in FIG.
  • the kink in the heating curve is at different resistances, namely approx. 12.4 W for the lower curve and approx. 1 2.7 W for the upper curve.
  • FIG. 5 shows a steep rise after approx. 400 ms, which indicates a local gas bubble or local drying out. Then the regulation starts. In this case, the heater 21 does not completely wet again, which can be seen in the subsequent steep heating phases. In this case, the aforementioned countermeasures are indicated.
  • the lower threshold R_cu can be freely set in a wide range. An example of this is shown in FIG.
  • the lower curve with the lower threshold R_cu contains a smaller proportion of the duration of the train or puff in the temperature range of an effective evaporation. This results in a lower average amount of steam. Accordingly, the lower threshold R_cu can be used to adjust the amount of steam.

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Abstract

Ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Verdampfers (60) für einen Inhalator, insbesondere ein elektronisches Zigarettenprodukt, umfasst die Schritte Messung der an einem Heizelement (21) anliegenden Spannung; Messung des durch das Heizelement (21) fließenden Stroms; Ermittlung des Widerstands des Heizelements (21) aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom; Regelung der Temperatur des Heizelements (21) durch gesteuertes Ausschalten des Schaltelements (22), so dass der Stromfluss durch das Heizelement (21) unterbrochen wird, wenn der ermittelte Widerstand eine erste kritische Schwelle R_co über- oder unterschreitet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturregelung eines Verdampfers für einen I nhalator, insbesondere ein elektronisches Zigarettenprodukt
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Temperaturregelung eines Verdampfers für einen Inhalator, insbesondere ein elektronisches Zigarettenprodukt, wobei der Ver dampfer mindestens ein elektrisches Widerstands-Heizelement auf weist, und mit einem elektronischen gesteuerten Schaltelement, wobei der Stromfluss durch das Heizelement mit dem Schaltelement ein- und ausschaltbar ist.
Typische am Markt befindliche E-Zigaretten verdampfen ohne eine Temperaturregelung. I n der Regel werden die Heizwendel mit einer Gleichspannung oder mit Spannungspulsen versorgt. Die Heizleis tung stellt sich dann abhängig vom jeweiligen temperaturabhängigen Gesamtwiderstand des Heizkreises ein . Die Heizertemperatur hängt somit nicht nur von der eingestellten Heizspannung, sondern zusätzlich von der Wärmeabfuhr ab. Diese Wärmeabfuhr hängt jedoch von weiteren nicht kontrollierten Einflussgrößen, wie der Umgebungs temperatur, der Liquidtemperatur, der Heizerbenetzung und der Luftströmung entlang des Heizelements ab, sodass die Temperatur stark variieren kann. Insbesondere der Effekt des Dry-Puffs, des lokalen Überhitzens des Drahts aufgrund von lokalem Liquidmangel, führt zur Entstehung von Schadstoffen und/oder zum Durchbrennen des Heizers.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Temperaturregelung für einen Verdampfer bereitzustellen, die auch bei relativ geringem Heizwiderstand eine genaue Temperaturregelung bei geringer Heizspannung ermöglicht und lokale Überhitzungen früh erkennt und diesen entgegenwirkt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhän gigen Ansprüche.
Die Erfindung umfasst die Schritte Messung der an dem Heizele ment anliegenden Spannung , Messung des durch das Heizelement fließenden Stroms, Ermittlung des Widerstands des Heizelements aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom, und Regelung der Temperatur des Heizelements durch gesteuertes Aus schalten des Schaltelements, so dass der Stromfluss durch das Heizelement unterbrochen wird, wenn der ermittelte Widerstand eine erste kritische Schwelle erreicht, entsprechend einer Temperatur des Heizelements, die eine kritische Temperatur überschreitet.
Die Erfindung sieht demnach eine Temperaturregelung des Heizelements über die Bestimmung des Heizwiderstands vor. Der Heiz strom und die Heizspannung werden am Heizelement gemessen und der Heizwiderstand wird in einer elektronischen Steuereinrichtung insbesondere nach dem Ohm’schen Gesetz errechnet. Bei Erreichen eines kritischen Widerstands, der einer kritischen Temperatur entspricht, wird das Schaltelement ausgeschaltet, so dass der Stromfluss durch das Heizelement unterbrochen wird, wodurch die Tem peratur des Heizelements wieder sinkt und die Entstehung von Schadstoffen zuverlässig vermieden wird. Die Erfindung stellt eine einfache und gleichzeitig zuverlässige Temperaturregelung für das mindestens eine Heizelement bereit. Erfindungsgemäß findet keine aufwändige Regelung der Heizspannung statt. Vielmehr kann die Heizspannung im wesentlichen konstant bleiben und die Tempera- turregelung wird durch einfaches Aus- bzw. Einschalten des Strom flusses durch das Heizelement erreicht.
I n einer vorteilhaften Ausführung wird der Stromfluss durch das Heizelement für eine vorbestimmte Zeitdauer ausgeschaltet, wenn der ermittelte Widerstand den ersten kritischen Wert erreicht. Die vorbestimmte Zeitdauer ist so bemessen, dass das Heizelement innerhalb dieser Zeitspanne auf eine Temperatur unterhalb einer Soll temperatur abkühlt. Daraufhin wird das Schaltelement vorteilhaft wieder eingeschaltet, so dass wieder Strom durch das Heizelement fließt und dieses erneut geheizt wird.
I n einer anderen Ausführungsform bleibt der Stromfluss durch das Heizelement so lange ausgeschaltet, bis der ermittelte Widerstand eine zweite kritische Schwelle erreicht, so dass die Temperatur des Heizelements unterhalb einer kritischen Temperatur liegt. Sobald der unkritische Zustand erreicht ist, wird das Schaltelement vorteil haft wieder eingeschaltet wird, so dass wieder Strom durch das Heizelement fließt und dieses erneut geheizt wird. I n dieser Ausfüh rungsform wird vorteilhaft der Stromfluss durch das Heizelement periodisch nur für ein kurzes Messintervall eingeschaltet, um die Widerstandsmessung durchführen zu können . Auf diese Weise wird für die Widerstandsmessung nur sehr wenig Energie verbraucht.
Vorzugsweise wird nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer, bzw. wenn der ermittelte Widerstand die zweite kritische Schwelle R_cu wieder unter- oder überschreitet, das Schaltelement wieder einge schaltet, so dass wieder Strom durch das Heizelement fließt.
I nsbesondere im Falle eines Heizwiderstands aus einem PTC-Mate- rial (positiver Temperaturkoeffizient) ist vorteilhaft die erste kritische Schwelle R_co eine obere Schwelle und die zweite kritische Schwel le R_cu eine untere kritische Schwelle, so dass R_cu < R_co. Während der Wert für die obere Widerstandsschwelle R_co durch die Zersetzungstemperatur des Liquids oder durch die maximale Nach förderrate des Heizers festgelegt ist, kann die untere Schwelle R_cu in einem weiten Bereich frei eingestellt werden. Je nach Einstellung der niedrigeren Schwelle R_cu befindet sich ein geringerer oder hö herer Anteil der Zug- oder Puffdauer im Temperaturbereich einer effektiven Verdampfung. Dementsprechend kann die untere Schwel le R_cu vorteilhaft zur Einstellung der Dampfmenge genutzt werden.
Alternativ kann die Temperaturregulierung, anstelle des Ausschaltens des Schaltelements, durch Ansteuerung desselben zur pulswei tenmodulierten Spannungsversorgung des Heizelements erfolgen. Das Schaltelement wird dann vorteilhaft zur Pulsweitenmodulation eingesetzt, sodass das Heizelement weniger schnell abkühlt und bei geeigneter Regelung stabil bei der Solltemperatur gehalten werden kann.
Vorzugsweise wird der Widerstand R(t) des mindestens einen Heiz elements von der elektronischen Steuereinrichtung zeitaufgelöst bestimmt. Aus dem zeitlichen Verlauf R(t) des Widerstands lassen sich weitere Informationen gewinnen, die zur Steuerung und/oder Regelung des Verdampfers vorteilhaft verwendet werden können. Des Weiteren wird auch die zeitliche Ableitung dR(t)/dt des Widerstands R(t) des mindestens einen Heizelements vorteilhaft von der elektronischen Steuereinrichtung bestimmt. Beispielsweise kann aus der Aufheizrate d R(t)/dt insbesondere zu Beginn eines Verdampfungsvorgangs vorteilhaft eine ausreichende oder mangelhafte Benetzung des Heizelements festgestellt werden. Auch die Abkühlrate dR(t)/dt nach Abschalten des Heizelements kann vorteilhaft als Maß für die Benetzung des Heizelements mit Liquid verwendet werden.
I m allgemeinen wird die Aufheizrate d R(t)/dt und/oder die Abkühlrate d R(t)/dt zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem bestimmten Zeitraum vorteilhaft als Maß für die Benetzung des Heizelements mit Liquid verwendet.
Wenn die Aufheizrate dR(t)/dt größer ist als ein vorgegebener Wert, kann vorteilhaft auf das Vorhandensein einer großen, signifikante Anteile der Heizerfläche überdeckenden Dampfblase geschlossen werden. I n diesem Falle werden eine oder mehrere geeignete Maßnahmen durchgeführt, insbesondere Reduktion der Heizleistung , Anpassung der Heizerparameter, Abschaltung des betroffenen Hei zers und/oder Ausgabe einer Fehlermeldung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird bei Feststellung eines zeitlich konstanten Widerstands der der Verdampfungstemperatur entsprechende Widerstand R(Tverdampfung) ermittelt, was eine zusätzliche nützliche I nformation darstellt. Beispielsweise kann aus einer einem Anstieg der Verdampfungstemperatur entsprechenden Ände rung des Widerstands R (TVerda pfung) vorteilhaft eine Anreicherung höher siedender Komponenten im Liquid festgestellt werden. Als Reaktion darauf können vorzugsweise Verdampfungsparameter wie die kritischen Widerstandswerte R_Co und/oder R_cu angepasst werden . Des Weiteren kann bei Überschreiten eines voreingestellten Werts für die Verdampfungstemperatur das Flüssigkeitsreservoir als leer bewertet und eine weitere Verdampfung unterbunden werden.
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit sind das Heizelement, das Schaltelement, die Spannungsmesseinrichtung und die Strommess einrichtung vorzugsweise auf derselben Platine bzw. auf demselben Substrat fest fixiert angeordnet. Auf diese Weise können alle Kon- taktwiderstände außerhalb der Vorrichtung, sowie die Heizspan nung , die Temperaturmessung nicht beeinflussen . Alle Kontakt- und Leitungswiderstände innerhalb der Vorrichtung sind aufgrund der Fixierung der Elemente auf der Platine gering und konstant.
I n einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der Verdampfer eine Mehrzahl von parallel geschalteten Widerstands- Heizelementen auf, wobei jedem Heizelement eine eigene Mes- schaltung zugeordnet ist und die elektronische Steuereinrichtung zur Ermittlung des Widerstands und zur individuellen Regelung der Temperatur jedes Heizelements eingerichtet ist. Dies ermöglicht es, dass die Heizertemperatur mit einer gewissen räumlichen Auflösung in einer entsprechenden Zahl von Heizbereichen gemessen werden kann, während im Stand der Technik in der Regel nur die Durchschnittstemperatur des gesamten Verdampfers bestimmbar ist. Die Erfindung kann dagegen die Dampfmenge über die Anzahl der Heizelemente steuern. Wenn etwa ein Heizelement vom Sollzustand abweicht, kann der Verdampfer ggf. dennoch mit den übrigen Heizele menten weiter betrieben werden.
Insbesondere bei steckbaren Systemen mit einer Schnittstelle zwischen einer Verbrauchseinheit mit Verdampfereinheit und Basisteil mit elektronischer Steuereinrichtung kann eine Reduktion der Kontakte bzw. Leitungen vorteilhaft sein. Zu diesem Zweck weist die der I nhalator vorteilhaft ein zwischen der elektronischen Steuereinrich tung und der oder den Messschaltungen angeordnetes Multiple xer/Demultiplexer-System auf.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungs formen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektronischen Zigarettenprodukts; Fig. 2 ein Schaltdiagramm für eine einem Heizelement zuge ordnete Messschaltung;
Fig. 3 eine schematische Skizze zur Darstellung eines Multi plexer/Demultiplexer-Systems für einen Inhalator; und
Fig. 4-6 Widerstands-Zeit-Diagramme zur Erläuterung des Ver dampfungsverhaltens verschiedener Liquide und verschiedener Verdampfungsparameter. Der Inhalator 10, hier ein elektronisches Zigarettenprodukt, umfasst ein Gehäuse 1 1 , in dem ein Luftkanal 30 zwischen mindestens einer Lufteinlassöffnung 31 und einer Luftauslassöffnung 24 an einem Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 vorgesehen ist. Das Mun dende 32 des Zigarettenprodukts 1 0 bezeichnet dabei das Ende, an dem der Konsument zwecks Inhalation zieht und dadurch das Zigarettenprodukt 1 0 mit einem Unterdrück beaufschlagt und eine Luft strömung 34 in dem Luftkanal 30 erzeugt.
Das Zigarettenprodukt 10 besteht vorteilhaft aus einem Basisteil 16 und einer Verbrauchseinheit 1 7, die eine Verdampfereinheit 20 und einen Flüssigkeitsspeicher 18 umfasst und insbesondere in Form einer auswechselbaren Kartusche ausgebildet ist. Die durch die Ein lassöffnung 31 angesaugte Luft wird in dem Luftkanal 30 zu der, oder durch die mindestens eine Verdampfereinheit 20 geleitet. Die Verdampfereinheit 20 ist mit dem Flüssigkeitsspeicher 1 8 verbunden oder verbindbar, in dem mindestens eine Flüssigkeit 50 gespeichert ist. Die Verdampfereinheit 20 verdampft Flüssigkeit 50, die ihr aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 zugeführt wird, und gibt die verdampfte Flüssigkeit als Aerosol/Dampf an einer Auslassseite 64 in den Luft strom 34 zu. Ein vorteilhaftes Volumen des Flüssigkeitsspeichers 18 liegt im Bereich zwischen 0, 1 ml und 5 ml, vorzugsweise zwischen 0,5 ml und 3 ml, weiter vorzugsweise zwischen 0,7 ml und 2 ml oder 1 ,5 ml.
Die elektronische Zigarette 1 0 umfasst des Weiteren einen elektri schen Energiespeicher 14 und eine elektronische Steuerungsvor richtung 1 5. Der Energiespeicher 14 ist in der Regel in dem Basisteil 16 angeordnet und kann insbesondere eine elektrochemische Einweg-Batterie oder ein wiederaufladbarer elektrochemischer Akku, beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku, sein. I n dem in Figur 1 gezeigten Beispiel ist der Energiespeicher 14 in einem dem M undende 32 abgewandten Teil des I nhalators 1 0 angeordnet. Die Ver brauchseinheit 1 7 ist zwischen dem Energiespeicher 14 und dem Mundende 32 angeordnet. Die elektronische Steuerungsvorrichtung 1 5 umfasst mindestens eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung, insbesondere Mikroprozessor und/oder Microcontroller, in dem Ba sisteil 16 (wie in Figur 1 gezeigt) und/oder in der Verbrauchseinheit 1 7.
I n dem Gehäuse 1 1 ist vorteilhaft ein Sensor, beispielsweise ein Drucksensor oder ein Druck- oder Strömungsschalter, angeordnet, wobei die Steuerungsvorrichtung 1 5 auf der Grundlage eines von dem Sensor ausgegebenen Sensorsignals feststellen kann, dass ein Konsument am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 zieht, um zu inhalieren. In diesem Fall steuert die Steuerungsvorrichtung 1 5 die Verdampfereinheit 20 an, um Flüssigkeit 50 aus dem Flüssig keitsspeicher 18 als Aerosol/Dampf in den Luftstrom 34 zuzugeben. Die in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicherte, zu dosierende Flüssigkeit 50 ist beispielsweise eine Mischung aus 1 ,2-Propylen- glykol, Glycerin, Wasser, mindestens einem Aroma (Flavour) und/oder mindestens einem Wirkstoff insbesondere Nikotin.
Die Verdampfereinheit 20 umfasst mindesten einen Verdampfer 60 mit mindestens einem Widerstands-Heizelement 21 (siehe Figur 2) und eine Liquidzuführung 1 2 zum Zuführen von Liquid 50 aus dem Flüssigkeitsreservoir 1 8 zu dem Verdampfer 60. Aufgrund des Ohm'schen Widerstands führt ein Stromfluss durch das elektrisch leitende Heizelement 21 zu einer Erhitzung desselben und daher zu einer Verdampfung von mit dem Heizelement 21 in Kontakt stehen der Flüssigkeit. Das Heizelement 21 wirkt somit als Verdampfer 60. Auf diese Weise erzeugter Dampf/Aerosol entweicht zur Auslassseite 64 aus dem Verdampfer 60 und wird der Luftströmung 34 beigemischt, siehe Figur 1 . Die Verdampfungstemperatur liegt vorzugs weise im Bereich zwischen 100°C und 400 °C, weiter bevorzugt zwi schen 150°C und 350 °C, noch weiter bevorzugt zwischen 190 °C und 290 °C.
Die Verdampfereinheit 20 beziehungsweise der mindestens eine Verdampfer 60 ist in einem dem Mundende 32 abgewandten Teil der Verbrauchseinheit 17 angeordnet. Damit ist eine effektive elektri sche Kopplung und Ansteuerung der Verdampfereinheit 20 möglich. Der Luftstrom 34 führt vorteilhaft durch einen axial durch den Flüssigkeitsspeicher 1 8 laufenden Luftkanal 70 zu der Luftauslassöffnung 24.
Die Verbrauchseinheit bzw. Kartusche 17 oder das Basisteil 16 um fasst vorteilhaft einen nichtflüchtigen Datenspeicher 35 zum Spei- ehern von die Verbrauchseinheit bzw. Kartusche 1 7 betreffender Information bzw. Parameter. Der Datenspeicher kann Teil der elektronischen Steuerungsvorrichtung 15 sein. I n dem Datenspeicher ist vorteilhaft Information zur Zusammensetzung der in dem Flüssig keitsspeicher 1 8 gespeicherten Flüssigkeit, I nformation zum Pro zessprofil, insbesondere Leistungs-/Temperatursteuerung; Daten zur Zustandsüberwachung bzw. Systemprüfung, beispielsweise Dichtigkeitsprüfung; Daten betreffend Kopierschutz und Fälschungs sicherheit, eine I D zur eindeutigen Kennzeichnung der Verbrauchs einheit bzw. Kartusche 17, Seriennummer, Fiersteildatum und/oder Ablaufdatum, und/oder Zugzahl (Anzahl der I nhalationszüge durch den Konsumenten) bzw. der Nutzungszeit gespeichert. Der Daten speicher ist vorteilhaft elektrisch mit der Steuereinrichtung 15 verbunden oder verbindbar.
Jedem Fleizelement 21 ist vorteilhaft eine Messschaltung 19 zuge ordnet. Dies wird im Folgenden anhand von Figur 2 erläutert. Die Messschaltung 19 dient zur Messung der an dem Fleizelement an liegenden Spannung und des durch das Fleizelement 21 fließenden Stroms.
An dem Fleizelement 21 (Fleizwiderstand RH) liegt die Heizspan nung VH an. Die Heizspannung VH kann insbesondere die Batterie spannung, d.h. die Spannung des Energiespeichers 14, oder eine daraus abgeleitete bzw. transformierte Spannung sein . In den Strompfad des Heizelements 21 ist ein Schaltelement 22 geschaltet, das durch Anlegen einer Steuerspannung V_GS an einem Steueranschlusses 28 den Strom durch das Heizelement 21 ein- und ausschalten, bzw. wie gewünscht einstellen kann. Das Schaltelement 22 ist vorteilhaft ein Transistor und weiter vorteilhaft ein MOSFET; in diesem Fall ist der Steueranschlusses 28 der Gate-Anschluss und die Steuerspannung V_GS die Gate-Spannung.
Die über dem Heizelement 21 abfallende Spannung wird mittels einer Spannungsmesseinrichtung 23 gemessen, die vorteilhaft auf der Grundlage eines Differenz- bzw. Operationsverstärkers 29 arbeitet. Die Eingänge des Differenz- bzw. Operationsverstärkers 29 sind vorteilhaft mit den Anschlüssen des Heizelements 21 , ggf. über Widerstände R5 bzw. R7, verbunden. Die Ausgangsspannung V_Sp des Differenz- bzw. Operationsverstärkers 29 entspricht der über dem Heizelement 21 abfallenden Spannung oder steht in einer ein deutigen , bekannten Beziehung dazu.
Der durch das Heizelement 21 fließende Strom wird mittels einer Strommesseinrichtung 25 gemessen, die vorteilhaft auf der Grundlage eines Differenz- bzw. Operationsverstärkers 33 arbeitet. Die Eingänge des Differenz- bzw. Operationsverstärkers 33 sind vor zugsweise mit den Anschlüssen eines zu dem Heizelement 21 in Serie geschalteten Referenzwiderstands 27, ggf. über Widerstände R1 bzw. R3, verbunden. Der Referenzwiderstand weist einen festen und definierten Widerstandswert auf und ist in den Strompfad des Heizelements 21 geschaltet. Das Schaltelement 22 ist vorteilhaft zwischen das Heizelement 21 und den Referenzwiderstand 27 ge schaltet. Die Ausgangsspannung V_St des Differenz- bzw. Operationsverstärkers 33 ist proportional zu dem durch das Heizelement 21 fließenden Strom oder steht in einer eindeutigen bekannten Bezie hung dazu.
Die Messwerte V_Sp und V_St werden an die elektronische Steuer einrichtung 1 5 übermittelt, die daraus, insbesondere mittels des Ohmschen Gesetzes, den Widerstand des Heizelements 21 berech- net und auf der Grundlage des ermittelten Widerstands das Schalt element 22 an- und ausschaltet und somit den Stromfluss durch das Heizelement 21 im Sinne einer angestrebten idealen Verdampfungs temperatur (Solltemperatur des Heizelements 21 ) regelt. Dies wird im Folgenden erläutert. Dabei wird davon ausgegangen , dass das Heizelement 21 ein PTC-Widerstand, d. h. ein Widerstand aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten ist. Grundsätzlich ist aber auch ein NTC-Widerstand möglich, das nachfolgend Gesagte gilt dann entsprechend .
In einer Ausführungsform der Erfindung ist in dem Datenspeicher ein oberer kritischer Widerstand R_co gespeichert. Wenn der ermittelte Widerstand RH des Heizelements 21 den oberen kritischen Wi derstands R_co erreicht oder überschreitet, wird der Stromfluss durch das Heizelement 21 für eine vorbestimmte Zeitspanne At ab geschaltet. Zu diesem Zweck setzt die Steuereinrichtung 1 5 die Steuerspannung V_GS beispielsweise auf Null, so dass das Schalt element 22 ausgeschaltet wird. Nach Ablauf der Zeitspanne At wird das Schaltelement 22 und dadurch der Stromfluss durch das Heizelement 21 durch Anlegen einer von Null verschiedenen Steuerspannung V_GS wieder eingeschaltet, bis der ermittelte Widerstand RH des Heizelements 21 den oberen kritischen Widerstands R_co erreicht und der Heizstrom erneut abgeschaltet wird.
I n einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in dem Da tenspeicher zusätzlich ein unterer kritischer Widerstand R_cu gespeichert. Wenn der ermittelte Widerstand RH des Heizelements 21 den oberen kritischen Widerstands R_co erreicht oder überschreitet, wird der Stromfluss durch das Heizelement 21 für eine vorbestimm tes Zeitintervall Ati, beispielsweise für ca. 2 ms, abgeschaltet und sodann für ein kurzes Messintervall Atm eingeschaltet, wobei Atm<<Ati, d. h. Atm ist mindestens um den Faktor 1 0 kleiner als Ati und ist beispielsweise kürzer oder gleich 100 ps.
I nnerhalb des Messintervalls Atm wird der Widerstand des Heizelements 21 bestimmt wie zuvor beschrieben. Wenn und solange der gemessene Widerstand RH des Heizelements 21 oberhalb des unte ren kritischen Widerstands R_cu liegt, wird der Stromfluss durch das Heizelement 21 wieder für eine vorbestimmtes Zeitintervall Ati aus geschaltet und dann die Messung periodisch wiederholt. Erst wenn der gemessene Widerstand RH des Heizelements 21 den unteren kritischen Widerstands R_cu erreicht oder unterschreitet, wird der Stromfluss durch das Heizelement 21 wieder eingeschaltet, und bleibt eingeschaltet, solange der gemessenen Widerstand des Heiz elements 21 unterhalb des oberen kritischen Widerstands liegt.
Vorzugsweise weist die Verdampfereinheit 20 bzw. der Verdampfer 60 eine Mehrzahl von parallel geschalteten Heizelementen 21 auf, siehe Figur 1 , wobei vorteilhaft jedem Heizelementen 21 eine eigene Messschaltung 1 9 zugeordnet ist. Sämtliche Heizelemente 21 werden vorteilhaft aus derselben Spannungsquelle 14 mit derselben Heizspannung VH betrieben . Die Heizspannung VH kann eine im Wesentlichen konstante Versorgungsspannung sein und beispielsweise der Batteriespannung , d. h . der Spannung der Energiequelle 14, oder einer daraus transformierten Spannung entsprechen.
Wie zuvor beschrieben , erfolgt die Steuerung bzw. Regelung des oder der Heizelemente 21 nicht durch Veränderung der Heizspan nung VH, sondern ausschließlich durch Aus- bzw. Einschalten des Schaltelements 22 und somit des Stromflusses durch das oder die Heizelemente 21 . Anstelle der zuvor beschriebenen Ausschaltregelung, d. h. Regelung der Heizertemperatur durch Ausschalten des Schaltelements 22 und damit des Stromflusses durch das Heizelement 21 kann alternativ eine Regelung mittels Pulsweitenmodulierung erfolgen .
Eine beispielhafte Ausführungsform mit vier Heizelementen 21 und vier entsprechenden Messchaltungen 1 9_1 ...4 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Figur 3 beschrieben. Dabei sei nur beispielhaft eine maximale Leistung von Pmax = 20 W und eine Batterie spannung von Vbat = 3,7 V vorgesehen. Aus der Soll-Leistung und der Batteriespannung ergibt sich ein Gesamtwiderstand der vier parallelen Heizdrähte 21 von RHges = 0,68 W bzw. ein Widerstand pro Heizdraht 21 von RH = 2,7 W. Bei einer Auslegung des Referenzwi derstands 27 von RS = 0,05 W gehen nur ca. 1 ,8 % der Batterieleistung für die Strommessung verloren. Zudem muss nur der temperaturabhängige Widerstand RH im Bereich von ca. 2,7 W gemessen werden und nicht der temperaturabhängige Gesamtwiderstand im Bereich von 0,68 W, sodass bei gleicher absoluter Genauigkeit eine vierfach höhere relative Genauigkeit und somit eine vierfach bessere Temperaturauflösung erreicht werden kann.
Ein lokaler Hot Spot könnte zudem deutlich früher erkannt werden, da die Temperatur nicht über die gesamte Heizerfläche gemittelt würde, sondern lediglich über ein Viertel der Fläche.
Bei einem System mit vier Heizelementen 21 muss die Steuerein richtung 1 5 bzw. der Mikrocontroller acht analoge Signale, nämlich vier gemessene Heizspannungen V_Sp_1 ...4 und vier gemessene Heizströme V_St_1 ...4 verarbeiten und vier Schaltelemente 22_1 , 22_2 , 22_3, 22_4 ansteuern, sodass mit den zwei Anschlüssen für die Batteriespannung ohne weitere Maßnahmen insgesamt vierzehn Anschlüsse erforderlich wären. I nsbesondere bei steckbaren Systemen mit einer Schnittstelle zwischen Verbrauchseinheit 1 7 (mit Verdampfereinheit 20) und Basis teil 16 (mit Steuereinrichtung 15) kann eine Reduktion der Kontakte vorteilhaft sein. Um dies zu erreichen, kann ein Multiplexer 36 in der Verbrauchseinheit 1 7 die genannten (beispielsweise acht) analogen Signale über einen Kontakt 37 bzw. eine Signalleitung 38 an einen Demultiplexer 39 im Basisteil 16 und von dort weiter an die Steuer einheit 1 5 leiten. In ähnlicher Weise kann ein Multiplexer 40 in der Basiseinheit 16 die (beispielsweise vier) Steuersignale (Gatesigna le) VGS 1 ...4 über einen Kontakt 42 bzw. eine Signalleitung 43 an einen Demultiplexer 41 und von dort an die (beispielsweise vier) steuerbaren Schaltelemente 22 weiterleiten. Ein System mit der minimalen Kontaktanzahl bestünde somit aus den zwei Batteriekontakten, einem analogen Messkontakt und zwei Steuerleitungen, so dass in Summe nur fünf Kontakte erforderlich sind. Der Multiplexer 40 kann mittels der beiden Steuerleitungen so ange steuert werden, dass die Batteriespannung zu den unterschiedlichen Kanälen durchgeschaltet wird. Dabei wird auch jeweils der gemessene Heizstrom V_St_1 ...4 auf die Messleitung geschaltet, um im Basisteil 16 mit einem Messverstärker, beispielsweise einem Diffe- renz- bzw. Operationsverstärker 29, 33, skaliert zu werden. An schließend kann der skalierte beziehungsweise verstärkte gemes sene Heizstrom V_St_1 ...4 in der Steuerungsvorrichtung 1 5 inter pretiert werden. Über die Steuerleitung kann via Aufbau eines Datenbusses, beispielsweise eines I2G-Busses, zusätzlich eine I D ausgelesen wer den.
Multiplexer 36 und Demultiplexer 41 können in einer Baueinheit bzw. als einheitlicher Multiplexer/Demultiplexer 36, 41 ausgeführt sein. Ebenso können Multiplexer 40 und Demultiplexer 39 in einer Baueinheit bzw. als einheitlicher Multiplexer/Demultiplexer 39, 40 ausgeführt sein.
Andere Multiplexer/Demultiplexer-Anordungen sind möglich. Beispielsweise können die (hier vier) gemessenen Spannungen V_Sp1 ...4 und die (hier vier) gemessenen Ströme V_St1 ...4 über jeweils eine eigene Leitung an die Steuereinrichtung 1 5 übertragen werden. In einer weiteren Ausführungsform können die (hier vier) gemessenen Spannungen V_Sp1 ...4, die (hier vier) gemessenen Ströme V_St1 ...4 und die (hier vier) Steuersignale über einzige Leitung übertragen werden, was die Zahl der Kontakte nochmal um eins reduziert. Weitere Anordnungen sind möglich. Entscheiden ist, dass mittels Multiplexern/Demultiplexern die Anzahl der Kontakte zwischen Basisteil und Verbrauchsteil erheblich reduziert werden kann.
Vorteilhaft ist die Messschaltung 1 9 so ausgelegt, dass über dem Schaltelement 22 und dem Referenzwiderstand 27 nur ein sehr ge ringer Anteil der Batteriespannung abfällt. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der Widerstandswert des Referenzwiderstands 27 klein (mindestens einen Faktor 10 kleiner) gewählt wird im Verhältnis zu den Widerständen des Heizelements 21 bzw. des Gesamtwiderstands der Heizelemente 21 . I n diesen Fall reicht es, mit der Spannungsmesseinrichtung 23 die Heizerspannung VH zu messen. Die Messung des Spannungsabfalls über jedem einzel nen Heizer 21 (Differenzverstärker 23 in der Figur 2) kann dann vorteilhaft entfallen und die Steuereinrichtung 15 muss bei vier Kanälen lediglich fünf analoge Signale verarbeiten.
Mit dem zuvor beschriebenen Aufbau lässt sich der Widerstand der Heizelemente 21 und somit deren mittlere Temperatur vorteilhaft zeitaufgelöst bestimmen , d. h . es findet eine Ermittlung von RH(t) oder kurz R(t) statt. Dies ermöglicht eine Kontrolle des Verdamp fungsvorgangs und wird im Folgenden anhand der Figure 4 bis 6 beispielhaft erläutert. Darin gezeigt sind Diagramme, in denen der von der Steuereinrichtung 1 5 ermittelte Widerstand RH(t) des Heiz elements (V_Sp/V_St) über der Zeit aufgetragen ist. Vorteilhaft er mittelt die Steuereinrichtung auch die zeitliche Ableitung der Funktion R(t) , d. h. dR(t)/dt oder gleichbedeutend damit dT(t)/dt.
Zum besseren Verständnis soll die Dynamik des Verdampfungsvor gangs qualitativ beschrieben werden. Die erzeugte Wärmeleistung beträgt UH^/R(t) . Ein Teil dieser Leistung führt zu einer Erwärmung des Heizdrahts 21 , ein weiterer Teil erwärmt über Wärmeleitung das umgebenden Liquid 50 und schließlich geht der dritte Teil über Wärmeleitung an den Enden des Heizdrahts 21 in das Substrat 26 verloren. Bei geeigneter Auslegung des Heizers 21 , insbesondere in Form eines relativ langen Drahts mit geringem Querschnitt, ist die ser dritte Teil vergleichsweise gering und wird in der folgenden Beschreibung vernachlässigt.
Zu Beginn des Verdampfungsvorgangs wird der Heizer 21 von der Umgebungstemperatur beginnend aufgeheizt. Bei trockenem oder teilweise trockenem Heizer 21 kann die Wärme nicht an das Liquid übertragen werden, der Wärmeübergang an die Umgebungsluft ist deutlich geringer als der an das Liquid. Dementsprechend geht bei trockenem oder teilweise trockenem Heizer 21 ein größerer Teil der Heizleistung in die Erhitzung des Drahts 21 . Dementsprechend ist die Aufheizrate dR(t)/dt bzw. dT(t)/dt gegenüber der idealen Konfiguration erhöht.
Somit kann die Auswertung der anfänglichen Aufheizrate d R(t)/dt bzw. dT(t)/dt genutzt werden, um die Benetzung des Heizers 21 zu überprüfen. Dies ist beispielhaft in Figur 4 dargestellt, wobei die Kurve 44 an einem trockenen Heizelement 21 ohne Liquidnachfüh- rung und die Kurve 45 an einem benetzten Heizelement 21 mit Li- quidnachführung gemessen wurde. Der Widerstand des trockenen Heizers 21 (Kurve 44) ändert sich innerhalb der ersten 10 ms von 1 0 W auf 14 W, also um 40%, während der Widerstand des benetzten Heizers 21 (Kurve 45) nur von 1 0 W auf 1 1 W, also um 1 0% steigt. Dementsprechend hat der trockene Heizer 21 anfänglich eine ca. vierfache höhere Aufheizrate.
Wenn die Temperatur des den Heizer 21 umgebenden Liquids die Verdampfungstemperatur erreicht, steigt der relative Anteil des Wärmeübertrags in das Liquid sprungartig an . Dieser Sprung äußert sich in einer sprunghaften Reduktion der Aufheizrate dT(t)/dt. Falls die Heizleistung nicht zu hoch ist, fällt die Aufheizrate auf null und es ergibt sich ein zeitlich konstanter Widerstand (zeitlich konstante Temperatur). Somit kann der der Verdampfungstemperatur entsprechende Widerstand R(Tverdampfung) ohne weitere Kenntnis des Liquids oder der Heizercharakteristik ermittelt werden . Mögliche Fertigungstoleranzen des Heizers 21 oder Messfehler durch zu hohe Kontakt widerstände des Heizers 21 können so korrigiert werden. Dieser Effekt ist ebenfalls in Figur 4 zu erkennen, nämlich an dem Plateau der Kurve 45 im Bereich zwischen 95 ms und 1 70 ms. Der Verdamp- fungswiderstand für den benetzten Heizer ist hier beispielsweise
R(Tverdampfung) = 1 2 , 5 W .
Im Laufe der Entleerung des Liquidreservoirs 18 durch Verdampfung des Liquids 50 besteht die Gefahr der Anreicherung höher siedender Komponenten des Liquids im verbleibendem Liquid. Die oben be schriebene Bestimmung des Verdampfungswiderstands R(Tverdam - fung) kann diesen Prozess messtechnisch erfassen , da die Verdamp fungstemperatur im Laufe der Entleerung des Liquidreservoirs 1 8 ansteigt. Die so erlangte Erkenntnis über die veränderte Zusammensetzung des Liquids kann genutzt werden , um die Verdampfungsparameter (insbesondere die Schwellwerte R_co bzw. R_cu des Heizerwiderstands) anzupassen, oder bei Überschreiten eines voreingestellten Werts für die Verdampfungstemperatur die Kartusche als leer zu bewerten und eine weitere Verdampfung zu unter binden.
I n Figur 5 sind beispielhaft die Aufheizkurven zweier unterschiedlicher Liquide dargestellt. Die obere Kurve entspricht einem ersten Liquid und Parametern R_co = 14 W, R_cu = 1 3 W, VH = 9 V. Die untere Kurve entspricht einem zweiten Liquid und Parametern R_co = 14 W, R_cu = 1 3 W, VH = 8 V. Der Knick in der Aufheizkurve befindet sich bei unterschiedlichen Widerständen, nämlich bei ca. 12,4 W bei der unteren Kurve und ca. 1 2,7 W bei der oberen Kurve.
Bei ungenügender Nachförderung des Liquids beispielsweise auf grund verstopfter Poren von kapillarem Material, erhöhter Viskosität des Liquids aufgrund niedriger Umgebungstemperatur oder eines erhöhten Anteils hochviskoser Komponenten (Glycerin) oder bei zu hoher Heizerleistung kann es zu Bildung großer Dampfblasen unterhalb des Heizers 21 kommen. Dies führt zu einem geringen Kontakt zwischen Heizer 21 und Liquid, dementsprechend erfolgt die Aufhei zung zwischen unterem Schwellwert R_cu und oberen Schwellwert R_co schneller als im Idealfall. Die Überprüfung der Aufheizzeit zwischen den Sehwellwerten gibt somit Aufschluss über das Vorhan densein großer, signifikante Anteile der Heizerfläche überdeckender Dampfblasen. Diese Erkenntnis kann zur Reduktion der Heizleistung über die Anpassung der Heizerparameter (insbesondere Schwellwerte R_cu bzw. R_co), zur Abschaltung des betroffenen Heizers 21 bzw. Heizerkanals im Falle mehrerer Heizelemente 21 , und/oder zu einer Fehlermeldung führen.
Ein solcher Effekt ist in Figur 5 sichtbar. Die obere Kurve zeigt nach ca. 400 ms einen steilen Anstieg, der auf eine lokale Gasblase bzw. ein lokales Austrocknen hinweist. Danach setzt die Regelung ein. In diesem Fall benetzt der Heizer 21 nicht wieder vollständig , was an den nachfolgenden steilen Aufheizphasen zu sehen ist. In diesem Fall sind die vorgenannten Gegenmaßnahmen angezeigt.
Während der Wert für die obere Widerstandsschwelle R_co durch die Zersetzungstemperatur des Liquids oder durch die maximale Nachförderrate des Heizers 21 festgelegt ist, kann die untere Schwelle R_cu in einem weiten Bereich frei eingestellt werden. In Figur 6 ist hierfür ein Beispiel gezeigt. Die obere Kurve entspricht Parametern R_co = 13 W, R_cu = 12 0. Die untere Kurve entspricht Parametern R_co = 13 0, R_cu = 1 1 0. Bei der unteren Kurve mit der niedrigeren Schwelle R_cu befindet sich ein geringerer Anteil der Zug- oder Puffdauer im Temperaturbereich einer effektiven Verdampfung. Daher resultiert hier insgesamt eine geringere gemittelte· Dampfmenge. Dementsprechend kann die untere Schwelle R_cu zur Einstellung der Dampfmenge genutzt werden.

Claims

Ansprüche:
1 . Verfahren zur Temperaturregelung eines Verdampfers (60) für einen Inhalator, insbesondere ein elektronisches Zigaretten produkt, wobei der Verdampfer (60) mindestens ein elektri sches Widerstands-Heizelement (21 ) aufweist, und mit einem elektronischen gesteuerten Schaltelement (22) , wobei der Stromfluss durch das Heizelement (21 ) mit dem Schaltelement (22) ein- und ausschaltbar ist, gekennzeichnet durch die Schritte
- Messung der an dem Heizelement (21 ) anliegenden Span nung;
- Messung des durch das Heizelement (21 ) fließenden Stroms;
- Ermittlung des Widerstands des Heizelements (21 ) aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom;
- Regelung der Temperatur des Heizelements (21 ) durch ge steuertes Ausschalten des Schaltelements (22), so dass der Stromfluss durch das Heizelement (21 ) unterbrochen wird , wenn der ermittelte Widerstand eine erste kritische Schwelle R_co über- oder unterschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss durch das Heizelement (21 ) für eine vorbestimmte Zeitdauer ausgeschaltet wird, wenn der ermittelte Widerstand die erste kritische Schwelle R_co über- oder unterschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss durch das Heizelement (21 ) im Wesentlichen aus geschaltet bleibt, bis der ermittelte Widerstand eine zweite kritische Schwelle R cu unter- oder überschreitet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Stromfluss durch das Heizelement (21 ) periodisch nur für ein kurzes Messintervall eingeschaltet wird, um die Widerstandsmessung durchführen zu können .
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste kritische Schwelle R_co eine obere Schwelle und die zweite kritische Schwelle R_cu eine untere kritische Schwelle ist, so dass R_cu < R_co.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Schwelle R_cu zur Einstellung der zu produzierenden Dampfmenge verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer, bzw. wenn der ermittelte Widerstand die zweite kritische Schwelle R_cu wieder unter- oder überschreitet, das Schaltelement (22) wieder eingeschaltet wird , so dass wieder Strom durch das Heizelement (21 ) fließt.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregulierung durch An steuern des Schaltelements (22) zur pulsweitenmodulierten Spannungsversorgung des Heizelements (21 ), anstelle des
Ausschaltens des Schaltelements (22) , erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand R(t) des mindestens einen Heizelements (21 ) zeitaufgelöst bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Ableitung dR(t)/dt des Widerstands R(t) des mindes tens einen Heizelements (21 ) bestimmt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 1 0, dass die Aufheizrate d R(t)/dt und/oder die Abkühlrate dR(t)/dt zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem bestimmten Zeitraum als Maß für die Be netzung des Heizelements mit Liquid verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Aufheizrate dR(t)/dt größer ist als ein vorgege bener Wert, auf das Vorhandensein einer großen, signifikante Anteile der Heizerfläche überdeckenden Dampfblase geschlossen wird.
1 3. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der Detektion einer großen Dampfblase eine oder mehrere geeignete Maßnahmen eingeleitet werden, insbesondere Reduktion der Heizleistung, Anpassung der Heizerparameter, Abschaltung des betroffenen Heizers (21 ) und/oder Ausgabe einer Fehlermeldung.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung eines zeitlich konstanten Widerstands der der Verdampfungstemperatur entsprechende
Widerstand R(Tverdampfung) ermittelt wird.
1 5. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer einem Anstieg der Verdampfungstemperatur entsprechenden Änderung des Widerstands R(Tverdampfung) eine Anreicherung höher siedender Komponenten im Liquid festgestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung einer Anreicherung höher siedender Kompo nenten im Liquid Verdampfungsparameter angepasst werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, dass bei Überschreiten eines voreingestellten Werts für die Verdampfungstemperatur das Flüssigkeitsreservoir (1 8) als leer bewertet und eine weitere Verdampfung unterbunden wird.
18. Vorrichtung zur Temperaturregelung eines Verdampfers (60) für einen Inhalator (10), insbesondere ein elektronisches Ziga rettenprodukt, wobei der Verdampfer (60) mindestens ein elektrisches Widerstands-Heizelement (21 ) aufweist, und mit einer Messschaltung (19) , umfassend
- ein elektronisches gesteuertes Schaltelement (22), wobei der Stromfluss durch das Widerstands-Heizelement (21 ) mit dem Schaltelement (22) ein- und ausschaltbar ist,
- eine Spannungsmesseinrichtung (23) zur Messung der an dem Heizelement (21 ) anliegenden Spannung,
- eine Strommesseinrichtung (25) zur Messung des durch das Heizelement (21 ) fließenden Stroms,
wobei die Vorrichtung weiterhin eine elektronische Steuer einrichtung ( 15) aufweist, die eingerichtet ist zur Ermittlung des Widerstands des Heizelements (21 ) aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom, und zur Regelung der Temperatur des Heizelements (21 ) durch gesteuertes Ausschalten des Stromflusses durch das Heizelement (21 ) durch entsprechende Ansteuerung des Schaltelements (22) , wenn der ermittelte Widerstand eine erste kritische Schwelle R_co über- oder unterschreitet.
1 9. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (21 ) , das Schaltelement (22), die Spannungsmesseinrichtung (23) und die Strommesseinrichtung (25) auf derselben Platine (26) fixiert angeordnet sind .
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die die Strommesseinrichtung (25) einen in den durch den Heizwiderstand (21 ) und das Schaltelement (22) definierten Strompfad geschalteten Referenzwiderstand (27) aufweist.
21 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (22) ein MOSFET ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmesseinrichtung (23) und/oder die Strommesseinrichtung (25) jeweils einen Diffe- renz-/Operationsverstärker (29, 33) aufweisen.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch ge kennzeichnet, dass der Verdampfer (60) eine Mehrzahl von pa- rallel geschalteten Widerstands-Heizelementen (21 ) aufweist, wobei jedem Heizelement (21 ) eine Messchaltung (1 9) zuge ordnet ist und die elektronische Steuereinrichtung (1 5) zur Er mittlung des Widerstands und zur individuellen Regelung der Temperatur jedes Heizelements (21 ) eingerichtet ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 1 8 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen zwischen der elektronischen Steu ereinrichtung (1 5) und den Messschaltungen (19) angeordne ten Multiplexer (36) und/oder Demultiplexer (41 ) aufweist.
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