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WO2018115109A1 - Verdampfereinheit für einen inhalator und verfahren zum steuern einer verdampfereinheit - Google Patents

Verdampfereinheit für einen inhalator und verfahren zum steuern einer verdampfereinheit Download PDF

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Publication number
WO2018115109A1
WO2018115109A1 PCT/EP2017/083793 EP2017083793W WO2018115109A1 WO 2018115109 A1 WO2018115109 A1 WO 2018115109A1 EP 2017083793 W EP2017083793 W EP 2017083793W WO 2018115109 A1 WO2018115109 A1 WO 2018115109A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
evaporator unit
heating element
air duct
atomizer
unit according
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/083793
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Kessler
Rene Schmidt
Original Assignee
Hauni Maschinenbau Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hauni Maschinenbau Gmbh filed Critical Hauni Maschinenbau Gmbh
Publication of WO2018115109A1 publication Critical patent/WO2018115109A1/de

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    • A61M2205/0294—Piezoelectric materials

Definitions

  • Evaporator unit for an inhaler and method of controlling
  • the present invention relates to an evaporator unit for an inhaler comprising a nebulizer for nebulizing liquid supplied from a liquid reservoir and a heating element.
  • the invention further relates to a method for controlling an evaporator unit.
  • E-liquids The generation of an inhalable aerosol based on so-called E-liquids is the main function of e-cigarettes.
  • the administered e-liquid is evaporated and generated by partial or complete recondensation when mixed with the entrained air stream, the aerosol.
  • the droplet size depends on factors, including condensation nuclei in the air and cooling rate, which are not or only slightly controllable and in use can lead to a delayed compared to conventional cigarettes nicotine intake and thus reduced enjoyment.
  • One way to influence the droplet sizes and compositions in the evaporation process would be desirable.
  • the glycerol-enriched composition in the wick is established which corresponds to the gas phase composition of the inflowing liquid. This includes a corresponding boiling temperature.
  • a glycerol-enriched composition adjoins the heating coil, which is not constant along the wick. It can be shown that in this case higher boiling temperatures must occur in some areas of the wick than if the liquid has a constant composition in the area of vapor formation, ie if it is well mixed.
  • a composition gradient in the wick cross-section can lead to poorly controlled spontaneous evaporation of liquid in the wick center, resulting in the release of large drops of liquid. In order to evaporate as evenly as possible at as low a temperature as possible in order to avoid thermal decomposition of the liquid, this state should be avoided.
  • the object of the invention is to improve a known evaporator unit in various respects, in particular to increase the evaporator performance, to reduce the complexity of the structure, to allow a smaller installation space and / or to reduce the sealing problem, as well as a simple, reliable and to provide a reproducible evaporator unit for an inhaler which overcomes the above drawbacks and is capable of providing a quantity of steam with desired intrinsic properties, such as amount, concentration of active ingredient and composition, and to provide a corresponding control method.
  • the heating element is arranged and arranged to heat air flowing through the evaporator unit, and the atomizer is arranged downstream of the heating element, so that the liquid sprayed by the atomizer is sprayed into the air stream heated by the heating element.
  • the liquid droplets produced by atomization are thus evaporated in a controlled manner by direct contact with the hot air stream in a controlled and controlled manner, which allows extremely precise timing of vaporization and metering of the vapor.
  • the supply of the heat of vaporization is thus inventively achieved in that - in contrast to conventional evaporators in inhalers - not done by direct contact with a heating element, but by heated air and droplet evaporation.
  • the droplet evaporation is characterized by the fact that a liquid droplet introduced in the heated air stream can at the same time absorb the required heat from the air on its surface and can transport the evaporated liquid molecules to the environment by dissociation.
  • the possible heat flow densities at the surface are smaller than in the case of nucleate boiling, this can advantageously be compensated by a correspondingly fine atomization over a correspondingly larger surface area.
  • the droplets do not have to be completely evaporated; it may smaller residual droplets, which are enriched in accordance with the higher-boiling liquid components (for example, glycerol) remain, and form part of the aerosol.
  • Recondensation of the more volatile components eg, water, propylene glycol, and / or nicotine
  • This can be influenced by process parameters (flow guidance, atomization, heating power, possibly preheating of the liquid) and opens up an optimization possibility with regard to the physiological action of the aerosol.
  • the heating element and the atomizer are arranged in an air-flowed main air duct, wherein the main air duct may preferably be formed by the interior of an evaporator tube open on both sides.
  • the evaporator unit preferably has a secondary air duct, in which air sucked into the evaporator unit flows, bypassing the heating element and the atomizer.
  • the secondary air duct advantageously extends at least in sections parallel to the main air duct.
  • a back-mixing zone Downstream of the atomizer, a back-mixing zone is preferably provided, in which a renewed mixing of the heated and, if appropriate, uniformized main air flow with the secondary air flow takes place.
  • Embodiments without a secondary air duct are conceivable, in which case the entire air flowing through the evaporator unit flows through the main air duct.
  • the main air duct is arranged within the secondary air duct. This is energetically favorable because the secondary air duct thermally isolates the main channel to the outside.
  • the main air duct and the secondary air duct can be arranged concentrically with one another.
  • the flow cross-section of the secondary air channel is preferably larger or smaller than the flow cross-section of the main air channel, in particular at the inlet and / or outlet of the secondary air channel.
  • the enriched with atomized liquid after the atomizer air flow is advantageously performed with constant or decreasing temperature in the evaporator unit.
  • such a heating element disposed downstream of the atomizer in the evaporator unit in particular in the form of a heating element having a thermally conductive contact, can be avoided.
  • Provision of the secondary air duct also makes it possible to keep the outside temperature of the evaporator unit and an inhaler equipped with it low and to concentrate the "hot evaporation zone" inside, thereby minimizing any risk of burns when holding the inhaler.
  • a flow equalization element is provided for equalizing the air flow heated by the heating element, which is advantageously arranged in the main air channel between the heating element and the atomizer.
  • a filter for filtering at least the air flowing through the main air passage may be provided downstream of the atomizer net.
  • a voltage curve Uh (t) adapted to the liquid mixture used is stored in a data memory.
  • the heating voltage Uh (t) is adjusted to the liquid mixture used, and the heating temperature of the heating element can be controlled according to the exact known evaporation kinetics of the respective liquid mixture over time via the evaporation process or advantageously set with respect to the target droplet size of the aerosol. That way you can ensure optimal evaporation of the liquid adapted to their components and reliably avoid the formation of undesirable decomposition products.
  • the heating temperature can be controlled or regulated high-frequency over the evaporation process.
  • the heating voltage Uh (t) is adjusted to the liquid mixture used and thus the heating temperature of the heating element according to the evaporation kinetics of the respective liquid mixture time controlled via the evaporation process or advantageously set with respect to the target droplet size of the aerosol.
  • Fig. 1 is a cross-sectional view of an electronic cigarette product in an embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a cross-sectional view of a cartridge for an electronic cigarette product
  • Fig. 3 is a schematic representation of an evaporator unit according to the invention.
  • the electronic cigarette product 10 comprises a substantially rod-shaped or cylindrical housing 11.
  • an air channel 30 is provided between at least one air inlet opening 31 and the mouth end 32 of the cigarette product 10.
  • the mouth end 32 of the cigarette product 10 designates the end at which the consumer pulls for the purpose of inhalation, thereby applying a negative pressure to the cigarette product 10 and generating an air flow 34 in the air channel 30.
  • At least one air inlet opening 31 can be arranged on the shell side of the housing 11. Additionally or alternatively, at least one air inlet opening 31 A at the distal end 33 of the cigarette product 10 may be arranged.
  • the distal end 33 designates the end of the cigarette product 10 opposite the mouth end 32.
  • the air heating device 37 may, for example, be arranged adjacent to the energy supply unit 14 and / or extend in the circumferential direction around the casing inner side of the housing 11.
  • the air sucked in through the inlet opening 31 is conducted in the air channel 30, possibly via the interface or separating surface 57, to an evaporator unit 20.
  • the evaporator unit 20 supplies liquid 50 from the liquid reservoir 18 as addition 40 (see FIG. 3) in the form of small liquid droplets as mist / aerosol and / or as vapor into the air stream 34 as vapor.
  • An advantageous volume of the fluid reservoir 18 is in the range between 0.1 ml and 5 ml, preferably between 0.5 ml and 3 ml, more preferably between 0.7 ml and 2 ml or 1.5 ml.
  • the geometrical dimensions and the arrangement of the evaporator unit 20 in the inhaler 10 or the consumption unit 17 according to FIGS. 1 and 2 is schematic and not true to scale.
  • the evaporator unit 20 can be substantially longer than shown in FIGS. 1 and 2 and extend, for example, over at least half the length of the inhaler 10.
  • the cigarette product 10 comprises, advantageously at the far end 33 of the cigarette product 10, an electronic power supply unit 12 with an electrical energy store 14 and an electrical / electronic unit 15.
  • the energy store 14 may in particular be a disposable electrochemical battery or a rechargeable electrochemical battery, e.g. a Li-ion battery, his.
  • the cigarette product 10 furthermore comprises, advantageously at the mouth end 32 of the cigarette product 10, a consumption unit 17 with a liquid reservoir 18, an electrical / electronic unit 19 and the evaporator unit 20.
  • a uniform electrical / electronic unit may be provided, which may be arranged either in the power supply unit 12 or in the consumption unit 17.
  • the entirety of the electrical / electronic unit (s) of the cigarette product 10 is referred to below as the control arrangement 29.
  • the control arrangement 29 In the housing 1 1 is advantageously at least one sensor 7, for example a temperature sensor, arranged, whose function will be explained later. Additionally or alternatively, a pressure sensor or a pressure or flow switch can be provided, wherein the control arrangement 29, on the basis of a sensor signal output by the sensor, displays an operating state of the cigarette product 10 in which a consumer pulls on the mouth end 32 of the cigarette product 10, to inhale, to determine. In this operating state, the control arrangement 29 activates the evaporator unit 20 in order to add liquid 50 from the liquid reservoir 18 as addition 40 in the form of small liquid droplets as mist / aerosol and / or gaseous as vapor into the air stream 34.
  • the liquid to be dosed (ie the liquid component mixture) stored in the liquid reservoir 18 is, for example, a mixture of 1,2-propylene glycol, glycerol and / or water containing one or more flavorings and / or active substances, such as nicotine, for example. can be mixed.
  • the consumption unit 17 is advantageous as a consumer replaceable cartridge 21, i. designed as a disposable part.
  • the remainder of the cigarette product 10, which contains, in particular, the energy store 14, is advantageous as a consumer-reusable base 56, i. designed as a reusable part.
  • the cartridge 21 can be connected by the consumer to the base part 56 and detachably formed by the base part 56. Between the cartridge 21 and the reusable base 56 thus a separation surface or interface 57 is formed.
  • Cartridge housing 58 may form part of housing 1 1 of cigarette product 10.
  • the consumption unit 17 is designed as a cartridge 21 which can be inserted into and removed from the reusable base part 56 of the cigarette product 10 by the consumer.
  • the cartridge case 58 is in this case a separate from the housing 1 1 of the cigarette product 10 housing.
  • the cartridge 21 includes at least the liquid storage 18.
  • the cartridge 21 may include the electrical / electronic unit 19 as shown in FIG. In other embodiments, the electrical / electronic unit 19 is wholly or partly an integral part of the base 56. Similarly, the evaporator unit 20 may be part of the cartridge 21 or disposed in the base 56.
  • the cartridge 21 may therefore in some embodiments substantially only from the liquid storage 18 and possibly the Cartridge 58 exist.
  • the cartridge housing 58 may alternatively be formed by the housing of the fluid reservoir 18, so that a separate cartridge housing 58 may be dispensable.
  • the cartridge 21 can be used in other inhalers besides the use in rod-shaped cigarette products 10, for example in electronic whistles, shishas, other heat-not-burn products, or a medical inhaler.
  • the energy storage 14 is usually not part of the cartridge 21, but part of the reusable base 56th
  • the consumption unit 17 or the cartridge 21 advantageously comprises a nonvolatile information storage 53 (see FIG. 1) for storing information or parameters concerning the consumption unit 17 or the cartridge 21, for example in the form of an EEPROM, RFID or other suitable form.
  • the information memory 53 may be part of the electrical / electronic unit 19 or separately formed therefrom. Stored in the information memory 53 is advantageously information about the ingredient, i.
  • the data memory 53 is advantageously connected via contacts and / or lines to the control device 15 of the base 56 or connectable.
  • the evaporator unit 20 may have its own housing 1, but the housing 1 may alternatively be wholly or partly formed by the housing 11 of the cigarette product.
  • the evaporator unit has at least one air inlet opening 9 for the inflow F1 of the air to be penetrated through the evaporator unit 20 and at least one air outlet opening 6, the air flow 34, which is denoted F1 to F4 in FIG. 3, from the air inlet opening 9 to the air outlet opening 6 the evaporator unit 20 flows.
  • the air duct 30 is divided into two parallel channels, in a main air or heating channel 3, in which a heating element 36 is arranged, and a secondary air or bypass channel 5, in which a secondary air flow F3, bypassing the heating element 36 can flow.
  • the possibly preheated air flow F1 entering the evaporator unit is divided into a main air flow F2a and a secondary air flow F3.
  • part of the airflow F1 is bypassed around the evaporator 23 as bypass F3
  • another part of the airflow F1 is passed through the evaporator 23 as main airflow F2 and separated from the bypass flow by the evaporator tube 2.
  • the secondary air channel 5 has an inlet 60 and an outlet 61.
  • the inlet 60 is arranged in front of the heating element 36 and / or in front of the atomizer 22.
  • the outlet 61 is arranged after the heating element 36 and / or after the atomizer 22.
  • the main air passage 3 communicates with a main air inlet port 62 which is disposed upstream of the heating element 36.
  • the secondary air channel 5 is advantageously in communication with the secondary air inlet port 60, which is upstream or downstream of the main air inlet port 62.
  • the bleed air inlet opening 62 is upstream or downstream of the atomizer 22.
  • the division of the entering into the evaporation unit 20 air flow F1 in the main air flow F2 and secondary air flow F3 has the advantage that not the complete retracted air flow F1 must be heated to the temperature required for the droplet evaporation and thus both heat output saved and too high outlet temperature is avoided ,
  • the main channel 3 is advantageously arranged radially on the inside and that of the secondary air channel 5 radially on the outside in the evaporator unit 20, so that the secondary air channel 5 advantageously encloses the main channel 3 peripherally. This is energetically favorable because the secondary air duct 5, the main channel 3 thermally insulated to the outside.
  • the main channel 5 is advantageously formed by the interior of an evaporator tube 2.
  • the secondary air channel 5 is advantageously an annular channel, which is formed in particular between the flow tube 2 and the housing 1.
  • secondary air duct 5 and the main channel 3 are arranged concentrically with each other.
  • the housing 1 can take over the outer flow guide for the secondary air duct 5.
  • the controller 29 Upon detection of an airflow 34 caused by pulling the consumer through the air duct 30, the controller 29 controls the heating element 36 and the throughput means. flow control device 8 to put the evaporator 23 in operation. This will be described in more detail below.
  • the main air flow F2a first flows through the electric heating element 36, which heats the air to a suitable evaporation temperature.
  • the heating element 36 is controlled or regulated by the electronic control device 19, which preferably comprises power electronics, for example by pulse width modulation.
  • An electrical voltage Uh generated by the heating voltage source 14 is applied to the heating element 36 and leads to a flow of current through the heating element 36. This leads due to the ohmic resistance of the heating element 36 to a heating of the heating element and therefore to a heating of the flowing past the heating element 36 Air F2a.
  • the heating element 36 preferably comprises at least one heating coil 26, in this case a plurality of, for example, four heating coils 26 interconnected in series with each other. A grid structure is also conceivable.
  • the temperature of the heated air flow F2b may, for example, correspond approximately to the boiling temperature of the liquid which it has after evaporation of a predetermined subset, or deviate from this by -10 K to +40 K or by + -10 K. This ensures that a rapid evaporation of the droplets can take place up to this state and the evaporation does not take place too slowly.
  • the air F2b should advantageously not be heated more strongly than the prevention of thermal decomposition of the components permits.
  • the heated air stream can optionally be homogenized by a flow equalization element 4, for example in the form of a grid or swirl elements, with respect to its flow and temperature profile.
  • the flow equalization element 4 is preferably arranged in the main air duct 3 and more preferably between the heating element 36 and the atomizer 22.
  • the atomizer 22 preferably has for this purpose at least one and advantageously a plurality of nozzles, which may be arranged, for example, in the form of a nozzle array.
  • the liquid is sprayed and distributed in the form of droplets through the atomizer 5 via at least one nozzle or a nozzle array into the heated and possibly even air stream F2b.
  • the arrangement and orientation of the nozzles can along with the air flow F2b or transversely thereto, provided that the droplet size is small enough to ensure a rapid entrainment in the air flow F2b.
  • the nebulized liquid 40 i. the liquid droplets are evaporated substantially instantaneously in the evaporation zone 13 by the contact with the hot air stream F2b.
  • an evaporator 23 is formed in the evaporator unit 20 or in the evaporator tube 2 or main channel 3.
  • the main part of the droplet evaporation takes place, at the end of which the complete or partial evaporation of the droplets has taken place, forming the air / aerosol stream F2c.
  • the mixing of the steam-containing main air flow F2c with the secondary air flow F3 takes place in the backmixing zone 25.
  • the enriched core stream is kept away from the cool walls in the outlet and wall condensation is avoided.
  • the combined steam-containing air flow F4 finally leaves the evaporator unit 20 through the outlet opening 6.
  • the nozzles of the nebulizer 22 may be separated by a separate flow control device 8, e.g. a micropump or a valve, are supplied with the required liquid volume flow from the liquid reservoir 18.
  • the conveying function may alternatively be integrated in the nozzles, e.g. by Piezoelementgetriebene nozzles, similar to inkjet printheads.
  • the liquid reservoir can be advantageously pressurized.
  • the liquid reservoir 18, the possibly existing separate flow control device 8 and the control device 19 and the power supply 14 can be realized in different spatial configurations.
  • an additional controlled electrical preheating of the liquid to be atomized can be realized, whereby a part of the heat required for evaporation can be introduced and / or the liquid properties (surface tension / viscosity) can be influenced, which is relevant for the droplet formation process.
  • This preheating can be integrated in the nozzles of the atomizer 22, in the supply line or in the flow control device 8.
  • the regulation of the temperature of the main air flow F2b can be done via the measured variable of the electrical resistance of the heating element, if it is temperature-dependent, or directly by means of an optional temperature sensor 7 in the homogenized main air flow F2b.
  • a voltage curve Uh (t) adapted to the fluid mixture used is deposited in the data memory 53 of the cartridge 21 or in a data memory 59 of the base 56. This makes it possible to predefine the voltage curve Uh (t) to the liquid used, so that the heating temperature of the heating element 36 can be controlled in terms of time via the evaporation process in accordance with the exact known evaporation kinetics of the respective liquid, as a result of which optimal evaporation results can be achieved.
  • the evaporation temperature is preferably in the range between 100 ° C and 400 ° C, more preferably between 150 ° C and 350 ° C, even more preferably between 190 ° C and 290 ° C.
  • the evaporation unit 20 is adjusted so that an advantageous amount of liquid in the range between 1 ⁇ and 20 ⁇ , more preferably between 2 ⁇ and 10 ⁇ , even more preferably between 3 ⁇ and 5 ⁇ , typically 4 ⁇ per train of the consumer, is added.
  • the evaporation unit 20 may be adjustable with respect to the amount of liquid per train.
  • the atomizer 22 can advantageously be set so that in the aerosol 40 predominantly liquid droplets with a diameter in the range between 0.05 ⁇ and 5 ⁇ , preferably between 0.1 ⁇ and 3 ⁇ arise.
  • Droplet sizes in the range of 0.05 to 5 MMAD (mass median aerodynamic diameter), preferably between 0.1 and 3 MMAD, more preferably between 0.5 and 2 MMAD, even more preferably between 0.7 and 1, 5 MMAD, for example by about 1 MMAD can be optimal.
  • MMAD corresponds to an EU standard and is specified in ⁇ .
  • the heating element 36, the flow control device 8 and / or the atomizer 22 are advantageously with a suitable drive frequency typically in the Hz or kHz range and for example between 1 Hz and 50 kHz, preferably between 30 Hz and 30 kHz, more preferably between 100 Hz and 25 kHz electrically controlled.
  • the drive frequency may be in the range between 5 Hz and 50 Hz, preferably between 10 Hz and 40 Hz.
  • heating element 36, flow control device 8 and / or atomizer 22 can be continuously controlled and / or regulated, in particular over sections of a train, puffs and / or a series of successive trains or puffs.

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Abstract

Eine Verdampfereinheit (20) für einen Inhalator umfasst einen Zerstäuber (22) zum Zerstäuben von aus einem Flüssigkeitsspeicher (18) zugeführter Flüssigkeit und ein Heizelement (36). Das Heizelement (36) ist zum Erwärmen von durch die Verdampfereinheit (20) strömender Luft eingerichtet und angeordnet und der Zerstäuber (22) ist stromabwärts von dem Heizelement (36) angeordnet, so dass die von dem Zerstäuber (22) zerstäubte Flüssigkeit in den von dem Heizelement (36) erwärmten Luftstrom eingesprüht wird.

Description

Verdampfereinheit für einen Inhalator und Verfahren zum Steuern
einer Verdampfereinheit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfereinheit für einen Inhalator, mit einem Zerstäuber zum Zerstäuben von aus einem Flüssigkeitsspeicher zugeführter Flüssigkeit und einem Heizelement. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Steuern einer Verdampfereinheit.
Aktuelle auf dem Docht-Wendel-Prinzip aufbauende elektronische Zigaretten, wie beispielhaft in der US 2016/0021930 A1 beschrieben, weisen verschiedene Nachteile auf. Erstens sind Liquidverdampfung und -dosierung nicht voneinander getrennt. Zweitens stehen Dampfmenge und Heizertemperatur in einem direkten Zusammenhang, d.h. hohe Dampfmengen bedingen hohe Verdampfertemperaturen. Drittens kommt es zu ungleichmäßigen Temperaturbereichen am/im Bereich des Verdampfers mit der Gefahr lokaler Liquid-Überhitzung und Schadstoffentstehung. Viertens weicht die im Verdampferbereich an der Docht-A/Vendeloberfläche anliegende Temperatur von der Kerntemperatur im Docht ab, wodurch es zu Konzentrationsänderungen der Liquidbestandteile während eines jeden einzelnen Verdampfungsvorgangs bzw. Puffs oder Zugs kommt. Diese Konzentrationsänderung führt darüber hinaus zu einer allmählichen Veränderung der Zusammensetzung des noch im Flüssigkeitsspeicher befindlichen Liquids, d.h. auch die freigesetzte Wirkstoffmenge ist nicht gleichmäßig und ändert sich von Zug zu Zug.
Die Erzeugung eines inhalierbaren Aerosols auf Basis sogenannter E-Liquids ist die Hauptfunktion von E-Zigaretten. Dabei wird das verabreichte E-Liquid verdampft und durch teilweise oder vollständige Rückkondensation bei der Vermischung mit dem mitgezogenen Luftstrom das Aerosol erzeugt. Die Tröpfchengröße hängt dabei von Faktoren ab, unter anderem Kondensationskeimen in der Luft und Abkühlgeschwindigkeit, die nicht oder nur wenig kontrollierbar sind und in der Anwendung zu einer gegenüber herkömmlichen Zigaretten verzögerten Nikotinaufnahme und somit reduziertem Genußempfinden führen können. Eine Möglichkeit, in dem Verdampfungsverfahren die Tröpfchengrößen und -Zusammensetzungen beeinflussen zu können, wäre wünschenswert.
Bei der Verdampfung von E-Liquids in herkömmlichen Docht-Wendel-Verdampfern von E- Zigaretten stellt sich im Docht eine mit Glycerin angereicherte Zusammensetzung ein, bei der die Gasphasenzusammensetzung der des nachströmenden Liquids entspricht. Dazu gehört eine entsprechende Siedetemperatur. Im Docht stellt sich eine mit Glycerin angereicherte Zusammensetzung nahe der Heizwendel ein, die entlang des Dochtes nicht konstant ist. Es lässt sich zeigen, dass in diesem Fall in Teilbereichen des Dochtes höhe- re Siedetemperaturen vorkommen müssen, als wenn das Liquid im Bereich der Dampfbildung eine konstante Zusammensetzung hat, d.h. wenn es gut durchmischt ist. Des Weiteren kann ein Zusammensetzungsgradient im Dochtquerschnitt zu einem schlecht zu kontrollierenden spontanen Verdampfen von Liquid in der Dochtmitte führen, was zur Freisetzung von großen Liquidtropfen führt. Im Sinne einer möglichst gleichmäßigen Verdamp- fung bei möglichst geringer Temperatur zur Vermeidung von thermischer Zersetzung des Liquids sollte dieser Zustand vermieden werden.
Auch andere Verfahren zur Verdampfung, bei der die Wärme durch Heizflächen bzw. feste Wände in das Liquid eingebracht wird, verursachen Blasen- oder Filmsieden und damit lokal stark nicht-stationäre Verdampfungsvorgänge mit der Gefahr der spontanen Freisetzung von großen Liquidtropfen und lokaler Überhitzung, da sich Wärmezufuhr und Bildung der Gasphase entgegenstehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine bekannte Verdampfereinheit in verschiede- ner Hinsicht zu verbessern, insbesondere die Verdampferleistung zu erhöhen, die Komplexität des Aufbaus zu verringern, einen geringeren Bauraum zu ermöglichen und/oder die Abdichtungsproblematik zu verringern, sowie eine einfache, zuverlässig und reproduzierbar arbeitende Verdampfereinheit für einen Inhalator bereitzustellen, welche die obigen Nachteile überwindet und in der Lage ist, eine Dampfmenge mit gewünschten Eigen- schatten, wie Menge, Wirkstoffkonzentration und Zusammensetzung, bereitzustellen, sowie ein entsprechendes Steuerverfahren anzugeben.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Erfindungsgemäß ist das Heizelement zum Erwärmen von durch die Verdampfereinheit strö- mender Luft eingerichtet und angeordnet und der Zerstäuber ist stromabwärts von dem Heizelement angeordnet, so dass die von dem Zerstäuber zerstäubte Flüssigkeit in den von dem Heizelement erwärmten Luftstrom eingesprüht wird. Die durch Zerstäubung erzeugten Flüssigkeitstropfen werden somit durch direkten Kontakt mit dem heißen Luftstrom in kurzer Zeit und kontrolliert verdampft, was eine äußerst präzise zeitliche Steue- rung der Verdampfung und Dosierung des Dampfes ermöglicht. Die Zuführung der Verdampfungswärme wird also erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass diese - im Gegensatz zu herkömmlichen Verdampfern in Inhalatoren - nicht durch direkten Kontakt mit einem Heizelement, sondern durch erwärmte Luft und Tröpfchenverdampfung erfolgt. Die Tröpfchenverdampfung zeichnet sich dadurch aus, dass ein im erwärmten Luftstrom eingebrachtes Liquidtröpfchen an seiner Oberfläche gleichzeitig die erforderliche Wärme aus der Luft aufnehmen und die verdampften Liquidmoleküle durch Dissoziation an die Umgebung abtransportieren kann. Die möglichen Wärmestromdichten an der Oberfläche sind zwar kleiner als beim Blasensieden, dies kann jedoch vorteilhaft durch eine entsprechend feine Zerstäubung über eine entsprechend größere Oberfläche kom- pensiert werden.
Die Tröpfchen müssen nicht vollständig verdampft werden; es können kleinere Resttröpfchen, die entsprechend mit den höhersieden-den Liquidkomponenten (beispielsweise Glycerin) angereichert sind, verbleiben und einen Teil des Aerosols bilden. Eine Rück- kondensation der leichter flüchtigen Komponenten (beispielsweise Wasser, Propylengly- kol und/oder Nikotin) kann teilweise an den vorhandenen Tröpfchen oder an neuen Kondensationskeimen entstehen, wodurch die Bildung von mehrmodalen Größen- und Zusammensetzungsverteilungen möglich ist. Dies ist durch Prozessparameter (Strömungsführung, Zerstäubung, Heizleistung, ggf. Vorheizung des Liquids) beeinflussbar und eröff- net eine Optimierungsmöglichkeit hinsichtlich der physiologischen Wirkung des Aerosols.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind das Heizelement und der Zerstäuber in einem luftdurchströmten Hauptluftkanal angeordnet, wobei der Hauptluftkanal vorzugsweise durch den Innenraum eines beidseitig offenen Verdampferrohrs gebildet sein kann. Des Weiteren weist die Verdampfereinheit vorzugsweise einen Nebenluftkanal auf, in dem in die Verdampfereinheit eingesaugte Luft unter Umgehung des Heizelements und des Zerstäubers strömt. Vorteilhaft erstreckt sich also der Nebenluftkanal zumindest abschnittsweise parallel zu dem Hauptluftkanal. Die Aufteilung des in die Verdampfungseinheit eintretenden Luftstroms in Hauptluftstrom und Nebenluftstrom hat den Vorteil, dass nicht der vollständige eingezogene Luftstrom auf die für die Tröpfchenverdampfung erforderliche Temperatur aufgeheizt werden muss und somit sowohl Heizleistung gespart als auch eine zu hohe Austrittstemperatur vermieden wird. Stromabwärts von dem Zerstäuber ist vorzugsweise eine Rückvermischungszone vorgesehen, in der eine erneute Vermischung des erwärmten und ggf. vergleichmäßigten Hauptluftstroms mit dem Nebenluftstrom er- folgt. Es sind Ausführungsformen ohne Nebenluftkanal denkbar, wobei dann die gesamte durch die Verdampfereinheit strömende Luft durch den Hauptluftkanal strömt.
Besonders vorteilhaft ist der Hauptluftkanal innerhalb des Nebenluftkanals angeordnet. Dies ist energetisch günstig, weil der Nebenluftkanal den Hauptkanal nach außen thermisch isoliert. Insbesondere können der Hauptluftkanal und der Nebenluftkanal konzentrisch zueinander angeordnet sein.
Vorzugsweise ist der Strömungsquerschnitt des Nebenluftkanals größer oder kleiner als der Strömungsquerschnitt des Hauptluftkanals, insbesondere am Eintritt und/oder Austritt des Nebenluftkanals. Der mit zerstäubter Flüssigkeit nach dem Zerstäuber angereicherte Luftstrom ist vorteilhaft mit gleichbleibender oder abnehmender Temperatur in der Verdampfereinheit geführt. Insbesondere kann so ein dem Zerstäuber in der Verdampfereinheit nachgeordnetes Heizelement, insbesondere in Form eines mit thermisch leitendem Kontakt behaftetes Heizelement, vermieden werden.
Ein Vorsehen des Nebenluftkanals ermöglicht es zudem, die Außentemperatur der Verdampfungseinheit und eines damit ausgestatteten Inhalators niedrig zu halten und die „heiße Verdampfungszone" innen zu konzentrieren, wodurch evtl. Verbrennungsgefahr beim Halten des Inhalators minimiert wird. Der Nebenluftkanal ermöglicht auf optimale Art und Weise, ein gewünschtes Tropfenspektrum einzustellen, Abwärme aus dem Hauptluftstrom zu nutzen und eine effiziente Mischzone mit optimalen Mischungsvoraussetzungen zu realisieren. Vorzugsweise ist ein Strömungsvergleichmäßigungselement zum Vergleichmäßigen des durch das Heizelement erwärmten Luft-stroms vorgesehen, das vorteilhaft in dem Hauptluftkanal zwischen dem Heizelement und dem Zerstäuber angeordnet sein kann. Des Weiteren kann stromabwärts von dem Zerstäuber ein Filter zum Filtern mindestens der durch den Hauptluftkanal strömenden Luft vorgesehen sein. Der Filter ist vorteilhaft einem Abstand hinter dem Verdampferrohr angeordnet.
Vorteilhaft ist in einem Datenspeicher eine dem verwendeten Flüssigkeitsgemisch ange- passte Spannungskurve Uh(t) hinterlegt. Die Heizspannung Uh(t) ist dem verwendeten Flüssigkeitsgemisch angepasst vorgegeben und die Heiztemperatur des Heizelements kann gemäß der exakt bekannten Verdampfungskinetik des jeweiligen Flüssigkeitsge- mischs zeitlich über den Verdampfungsvorgang gesteuert oder im Hinblick auf die Zieltropfengröße des Aerosols vorteilhaft eingestellt werden. Auf diese Weise lässt sich ein optimales Verdampfen der Flüssigkeit angepasst an deren Komponenten gewährleisten und ein Entstehen unerwünschter Zersetzungsprodukte zuverlässig vermeiden. Die Heiztemperatur kann zeitlich über den Verdampfungsvorgang hochfrequent gesteuert oder geregelt werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern einer zuvor beschriebenen Verdampfereinheit bereitgestellt. Vorteilhaft wird dabei die Heizspannung Uh(t) dem verwendeten Flüssigkeitsgemisch angepasst vorgegeben und somit die Heiztemperatur des Heizelements gemäß der Verdampfungskinetik des jeweiligen Flüssig- keitsgemischs zeitlich über den Verdampfungsvorgang gesteuert oder im Hinblick auf die Zieltropfengröße des Aerosols vorteilhaft eingestellt. Auf diese Weise lässt sich ein optimales Verdampfen der Flüssigkeit, angepasst an deren Komponenten gewährleisten und ein Entstehen unerwünschter Zersetzungsprodukte zuverlässig vermeiden. Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines elektronischen Zigarettenprodukts in einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Kartusche für ein elektronisches Zigarettenprodukt; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verdampfereinheit.
Das elektronische Zigarettenprodukt 10 umfasst ein im Wesentlichen stabförmiges oder zylindrisches Gehäuse 1 1 . In dem Gehäuse 1 1 ist ein Luftkanal 30 zwischen mindestens einer Lufteinlassöffnung 31 und dem Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 vorgesehen. Das Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 bezeichnet dabei das Ende, an dem der Konsument zwecks Inhalation zieht und dadurch das Zigarettenprodukt 10 mit einem Unterdruck beaufschlagt und eine Luftströmung 34 in dem Luftkanal 30 erzeugt. Mindestens eine Lufteinlassöffnung 31 kann an der Mantelseite des Gehäuses 1 1 angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens eine Lufteinlassöffnung 31 A am entfernten Ende 33 des Zigarettenprodukts 10 angeordnet sein. Das entfernte Ende 33 bezeich- net das dem Mundende 32 entgegengesetzte Ende des Zigarettenprodukts 10. Nach einer oder beiden Lufteinlässen 31 , 31 A kann im Strömungsweg der Luftströmung 34 vorteilhaft eine Lufterwärmungseinrichtung 37 zum Erwärmen bzw. Vorwärmen der eintretenden Luft angeordnet sein. Hierdurch kann die Aerosolbildung optimiert werden. Die Lufterwärmungseinrichtung 37 kann beispielsweise benachbart zu der Energieversor- gungseinheit 14 angeordnet sein und/oder sich in Umfangsrichtung um die Mantelinnenseite des Gehäuses 1 1 erstrecken.
Die durch die Einlassöffnung 31 angesaugte Luft wird in dem Luftkanal 30, ggf. über die Schnittstelle bzw. Trennfläche 57 zu einer Verdampfereinheit 20 geleitet. Die Ver- dampfereinheit 20 gibt Flüssigkeit 50 aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 als Zugabe 40 (siehe Figur 3) in Form kleiner Flüssigkeitstropfen als Nebel/Aerosol und/ oder gasförmig als Dampf in den Luftstrom 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 geometrischen Abmessungen und die Anordnung der Verdampfereinheit 20 in dem Inhalator 10 bzw. der Verbrauchseinheit 17 gemäß Figuren 1 und 2 ist schematisch und nicht maßstabsgetreu. Insbesondere kann die Verdampfereinheit 20 wesentlich länger sein als in den Figuren 1 und 2 gezeigt und sich beispielsweise über mindestens die halbe Länge des Inhalators 10 erstrecken.
Das Zigarettenprodukt 10 umfasst, vorteilhaft am entfernten Ende 33 des Zigarettenprodukts 10, eine elektronische Energieversorgungseinheit 12 mit einem elektrischen Energiespeicher 14 und einer elektrischen/elektronischen Einheit 15. Der Energiespeicher 14 kann insbesondere eine elektrochemische Einweg-Batterie oder ein wiederaufladbarer elektrochemischer Akku, z.B. ein Li-Ionen-Akku, sein. Das Zigarettenprodukt 10 umfasst des Weiteren, vorteilhaft am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10, eine Verbrauchseinheit 17 mit einem Flüssigkeitsspeicher 18, einer elektrischen/elektronischen Einheit 19 und der Verdampfereinheit 20.
Anstelle der getrennten elektrischen/elektronischen Einheiten 15, 19 kann auch eine einheitliche elektrische/elektronische Einheit vorgesehen sein, die entweder in der Energieversorgungseinheit 12 oder in der Verbrauchseinheit 17 angeordnet sein kann. Die Gesamtheit der elektrischen/elektronischen Einheit(en) des Zigarettenprodukts 10 wird im Folgenden als Steueranordnung 29 bezeichnet. In dem Gehäuse 1 1 ist vorteilhaft mindestens ein Sensor 7, beispielsweise ein Temperatursensor, angeordnet, dessen Funktion später erläutert wird. Zusätzlich oder alternativ kann ein Druck-sensor oder ein Druck- oder Strömungsschalter vorgesehen sein, wobei die Steueranordnung 29 auf der Grundlage eines von dem Sensor ausgegebenen Sen- sorsignals einen Betriebszustand des Zigarettenprodukts 10, in dem ein Konsument am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 zieht, um zu inhalieren, feststellen kann. In diesem Betriebszustand steuert die Steueranordnung 29 die Verdampfereinheit 20 an, um Flüssigkeit 50 aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 als Zugabe 40 in Form kleiner Flüssigkeitstropfen als Nebel/Aerosol und/oder gasförmig als Dampf in den Luftstrom 34 zu- zugeben.
Die in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicherte, zu dosierende Flüssigkeit (d.h. das flüssige Komponentengemisch) ist beispielsweise eine Mischung aus 1 ,2-Propylenglykol, Glycerin und/oder Wasser, der ein oder mehrere Aromen (Flavour) und/oder Wirkstoffe, wie beispielsweise Nikotin, zugemischt sein können.
Die Verbrauchseinheit 17 ist vorteilhaft als vom Konsumenten auswechselbare Kartusche 21 , d.h. als Einwegteil ausgeführt. Der insbesondere den Energiespeicher 14 enthaltende Rest des Zigarettenprodukts 10 ist vorteilhaft als vom Konsumenten wiederverwendbares Grundteil 56, d.h. als Mehrwegteil ausgeführt. Die Kartusche 21 ist vom Konsumenten mit dem Grundteil 56 verbindbar und vom Grundteil 56 lösbar ausgebildet. Zwischen der Kartusche 21 und dem wiederverwendbaren Grundteil 56 ist somit eine Trennfläche bzw. Schnittstelle 57 gebildet. Das Kartuschengehäuse 58 kann einen Teil des Gehäuses 1 1 des Zigarettenprodukts 10 bilden.
In anderen Ausführungsformen, siehe Fig. 2, ist die Verbrauchseinheit 17 als Kartusche 21 ausgeführt, die in den wiederverwendbaren Grundteil 56 des Zigarettenprodukts 10 durch den Konsumenten einsetzbar und aus diesem entnehmbar ist. Das Kartuschengehäuse 58 ist in diesem Fall ein von dem Gehäuse 1 1 des Zigarettenprodukts 10 separates Gehäuse.
Die Kartusche 21 umfasst mindestens den Flüssigkeitsspeicher 18. Die Kartusche 21 kann, wie in Fig. 2 gezeigt, die elektrische/elektronische Einheit 19 umfassen. In anderen Ausführungsformen ist die elektrische/elektronische Einheit 19 ganz oder teilweise fester Bestandteil des Grundteils 56. Ebenso kann die Verdampfereinheit 20 Teil der Kartusche 21 oder in dem Grundteil 56 angeordnet sein. Die Kartusche 21 kann daher in manchen Ausführungsformen im Wesentlichen nur aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 und ggf. dem Kartuschengehäuse 58 bestehen. Das Kartuschengehäuse 58 kann alternativ von dem Gehäuse des Flüssigkeitsspeichers 18 gebildet sein, so dass ein separates Kartuschengehäuse 58 entbehrlich sein kann. Die Kartusche 21 kann neben der Verwendung in stabförmigen Zigarettenprodukten 10 auch in anderen Inhalatoren eingesetzt werden, beispielsweise in elektronischen Pfeifen, Shishas, anderen Heat-not-burn-Produkten, oder einem medizinischen Inhalator. Der Energiespeicher 14 ist in der Regel nicht Teil der Kartusche 21 , sondern Teil des wiederverwendbaren Grundteils 56.
Die Verbrauchseinheit 17 bzw. die Kartusche 21 umfasst vorteilhaft einen nichtflüchtigen Informationsspeicher 53 (siehe Fig. 1 ) zum Speichern von die Verbrauchseinheit 17 bzw. die Kartusche 21 betreffender Information bzw. Parametern, beispielsweise in Ausführung als EEPROM, RFID oder anderer geeigneter Form. Der Informationsspeicher 53 kann Teil der elektrischen/elektronischen Einheit 19 oder separat davon ausgebildet sein. In dem Informationsspeicher 53 gespeichert ist vorteilhaft Information zum Inhaltsstoff, d.h. zur Zusammensetzung der in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicherten Flüssigkeit; Information zum Prozessprofil, insbesondere Leistungs-/Temperatursteuerung; Daten zur Zu- standsüberwachung bzw. Systemprüfung, beispielsweise Dichtigkeitsprüfung; Daten be- treffend Kopierschutz und Fälschungssicherheit, insbesondere umfassend eine ID zur eindeutigen Kennzeichnung der Verbrauchseinheit 17 bzw. Kartusche 21 ; Seriennummer, Herstelldatum und/oder Ablaufdatum; und/oder Zugzahl (Anzahl der Inhalationszüge durch den Konsumenten) bzw. der Nutzungszeit. Der Datenspeicher 53 ist vorteilhaft über Kontakte und/oder Leitungen mit der Steuereinrichtung 15 des Grundteils 56 verbunden oder verbindbar.
Eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampfereinheit 20 ist in Fig. 3 gezeigt. Die Verdampfereinheit 20 kann ein eigenes Gehäuse 1 aufweisen, das Gehäuse 1 kann jedoch alternativ ganz oder teilweise von dem Gehäuse 1 1 des Zigarettenprodukts gebildet werden. Die Verdampfereinheit weist mindestens eine Lufteingangsöffnung 9 für den Zustrom F1 der durch die Verdampfereinheit 20 durchzusetzenden Luft und mindestens eine Luftausgangsöffnung 6 auf, wobei die Luftströmung 34, die in Figur 3 mit F1 bis F4 bezeichnet wird, von der Lufteingangsöffnung 9 zu der Luftausgangsöffnung 6 durch die Verdampfereinheit 20 strömt. Innerhalb der Verdampfereinheit 20 ist der Luftkanal 30 in zwei parallel angeordnete Kanäle aufgeteilt, und zwar in einen Hauptluft- oder Heizkanal 3, in dem ein Heizelement 36 angeordnet ist, und einen Nebenluft- oder Bypasskanal 5, in dem ein Nebenluftstrom F3 unter Umgehung der Heizelements 36 strömen kann. Demnach wird die in die Ver- dampfereinheit eintretende, ggf. vorgewärmte Luftströmung F1 in einen Hauptluftstrom F2a und einen Nebenluftstrom F3 aufgeteilt. Anders gesagt wird ein Teil des Luftstroms F1 als Nebenstrom F3 um den Verdampfer 23 herumgeführt, ein anderer Teil des Luftstroms F1 wird als Hauptluftstrom F2 durch den Verdampfer 23 hindurch geführt und vom Nebenstrom durch das Verdampferrohr 2 getrennt.
Der Nebenluftkanal 5 weist einen Eintritt 60 und einen Austritt 61 auf. Der Eintritt 60 ist vor dem Heizelement 36 und/oder vor dem Zerstäuber 22 angeordnet. Der Austritt 61 ist nach dem Heizelement 36 und/oder nach dem Zerstäuber 22 angeordnet. Vorzugsweise steht der Hauptluftkanal 3 mit einer Hauptluftzutrittsöffnung 62 in Verbindung, welche dem Heizelement 36 vorgeordnet ist. Der Nebenluftkanal 5 steht vorteilhaft mit der Nebenluftzutrittsöffnung 60 in Verbindung, welche der Hauptluftzutrittsöffnung 62 vorgeordnet oder nachgeordnet ist. Die Nebenluftzutrittsöffnung 62 ist dem Zerstäuber 22 vorgeordnet oder nachgeordnet. Die Aufteilung des in die Verdampfungseinheit 20 eintretenden Luftstroms F1 in Hauptluftstrom F2 und Nebenluftstrom F3 hat den Vorteil, dass nicht der vollständige eingezogene Luftstrom F1 auf die für die Tröpfchenverdampfung erforderliche Temperatur aufgeheizt werden muss und somit sowohl Heizleistung gespart als auch eine zu hohe Austrittstemperatur vermieden wird.
Der Hauptkanal 3 ist vorteilhaft radial innen und der der Nebenluftkanal 5 radial außen in der Verdampfereinheit 20 angeordnet, so dass der Nebenluftkanal 5 den Hauptkanal 3 vorteilhaft umfangsseitig umschließt. Dies ist energetisch günstig, weil der Nebenluftkanal 5 den Hauptkanal 3 nach außen thermisch isoliert. Der Hauptkanal 5 wird vorteilhaft durch den Innenraum eines Verdampferrohrs 2 gebildet. Der Nebenluftkanal 5 ist vorteilhaft ein Ringkanal, der insbesondere zwischen dem Strömungsrohr 2 und dem Gehäuse 1 gebildet ist. Vorzugsweise sind Nebenluftkanal 5 und der Hauptkanal 3 konzentrisch zueinander angeordnet. Das Gehäuse 1 kann die äußere Strömungsführung für den Nebenluftkanal 5 übernehmen.
Bei Feststellung eines durch Ziehen des Konsumenten verursachten Luftstroms 34 durch den Luftkanal 30 steuert die Steuereinrichtung 29 das Heizelement 36 und die Durch- flusssteuereinrichtung 8 an, um den Verdampfer 23 in Betrieb zu setzen. Dies wird im Folgenden genauer beschrieben.
Der Hauptluftstrom F2a durchströmt zuerst das elektrische Heizelement 36, das die Luft auf eine geeignete Verdampfungstemperatur erwärmt. Das Heizelement 36 wird durch die elektronische Steuereinrichtung 19, die vorzugsweise eine Leistungselektronik umfasst, gesteuert oder geregelt, beispielsweise durch Pulsweitenmodulierung. Eine von der Heizspannungsquelle 14 erzeugte elektrische Spannung Uh wird an das Heizelement 36 angelegt und führt zu einem Stromfluss durch das Heizelement 36. Dieser führt aufgrund des Ohmschen Widerstands des Heizelements 36 zu einer Erhitzung des Heizelements und daher zu einer Erwärmung der an dem Heizelement 36 vorbeiströmenden Luft F2a. Das Heizelement 36 umfasst vorzugsweise mindestens eine Heizwendel 26, hier eine Mehrzahl von beispielsweise vier in Serie miteinander verschalteten Heizwendeln 26. Auch eine Gitterstruktur ist denkbar.
Die Temperatur der erwärmten Luftströmung F2b kann beispielsweise etwa der Siedetemperatur des Liquids entsprechen, das diese nach der Verdampfung einer vorgegebenen Teilmenge aufweist, oder davon um -10 K bis +40 K bzw. um +-10 K abweichen. Damit ist sichergestellt, dass eine zügige Verdampfung der Tröpfchen bis zu diesem Zustand erfolgen kann und die Verdampfung nicht zu langsam erfolgt. Gleichzeitig soll die Luft F2b vorteilhaft nicht stärker erwärmt werden, als die Vermeidung thermischer Zersetzung der Komponenten zulässt.
Der erwärmte Luftstrom kann optional durch ein Strömungsvergleichmäßigungselement 4, beispielsweise in Form eines Gitters oder von Drallelementen, bezüglich seines Strö- mungs- und Temperaturprofils homogenisiert werden. Das Strömungsvergleichmäßi- gungselement 4 ist vorzugsweise in dem Hauptluftkanal 3 und weiter vorzugsweise zwischen dem Heizelement 36 und dem Zerstäuber 22 angeordnet. In dem Hauptkanal 3 ist stromabwärts von dem Heizelement 36 ein Zerstäuber 22 zum Zerstäuben von aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 zugeführter Flüssigkeit und Beimischung zu dem durch das Heizelement 36 erhitzten Hauptluftstrom F2b. Der Zerstäuber 22 weist zu diesem Zweck vorzugsweise mindestens eine und vorteilhaft eine Mehrzahl von Düsen auf, die beispielsweise in Form eines Düsenarrays angeordnet sein können. In den erwärmten und ggf. vergleichmäßigten Luftstrom F2b wird demnach durch den Zerstäuber 5 über mindestens eine Düse oder ein Düsenarray das Liquid in Form von Tröpfchen eingesprüht und verteilt. Die Anordnung und Ausrichtung der Düsen kann längs mit dem Luftstrom F2b oder quer dazu erfolgen, sofern die Tröpfchengröße klein genug ist, um ein schnelles Mitreißen im Luftstrom F2b zu gewährleisten.
Nach dem Austritt aus dem Zerstäuber 22 wird die zerstäubte Flüssigkeit 40, d.h. die Flüssigkeitströpfchen, durch den Kontakt mit dem heißen Luftstrom F2b im Wesentlichen instantan in der Verdampfungszone 13 verdampft. Auf diese Weise ist in der Verdampfereinheit 20 bzw. in dem Verdampferrohr 2 oder Hauptkanal 3 ein Verdampfer 23 gebildet. In der nach der Düseneinheit 22 liegenden Zone 13 findet der Hauptteil der Tröpfchenverdampfung statt, an deren Ende die vollständige oder teilweise Verdampfung der Tröpfchen stattgefunden hat, unter Bildung des Luft/ Aerosolstroms F2c.
Die Vermischung des dampfhaltigen Hauptluftstroms F2c mit dem Nebenluftstrom F3 erfolgt in der Rückvermischungszone 25. Vorteilhaft wird dabei der angereicherte Kernstrom von den kühlen Wänden im Austritt ferngehalten und Wandkondensation vermieden. Die vereinte dampfhaltige Luftströmung F4 verlässt die Verdampfereinheit 20 schließlich durch die Ausgangsöffnung 6.
Die Düsen des Zerstäubers 22 können durch eine gesonderte Durchflusssteuereinrichtung 8, z.B. eine Mikropumpe oder ein Ventil, mit dem erforderlichen Liquidvolumenstrom aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 beaufschlagt werden. Die Förderfunktion kann alternativ in den Düsen integriert sein, z.B. durch Piezoelementgetriebene Düsen, analog zu Inkjet- Druckköpfen. Bei Einsatz einer Ventilstruktur mit einem oder mehreren Ventilen kann das Liquidreservoir vorteilhaft Druckbeaufschlagt sein. Der Flüssigkeitsspeicher 18, die ggf. vorhandene separate Durchflusssteuereinrichtung 8 sowie die Steuereinrichtung 19 und die Stromversorgung 14 können in unterschiedlichen räumlichen Konfigurationen realisiert werden. Des Weiteren ist eine zusätzliche geregelte elektrische Vorwärmung des zu zerstäubenden Liquids realisierbar, wodurch ein Teil der zur Verdampfung erforderlichen Wärme eingebracht werden kann und/ oder die Liquidei- genschaften (Oberflächenspannung / Viskosität) beeinflusst werden können, was für den Tröpfchenbildungsprozess relevant ist. Diese Vorwärmung kann in den Düsen des Zerstäubers 22, in der Zuleitung oder in der Durchflusssteuereinrichtung 8 integriert sein.
Die Regelung der Temperatur des Hauptluftstroms F2b kann über die Messgröße des elektrischen Widerstands des Heizelementes erfolgen, sofern dieser temperaturabhängig ist, oder direkt mit Hilfe eines optionalen Temperatursensors 7 im homogenisierten Hauptluftstrom F2b. Vorzugsweise ist in dem Datenspeicher 53 der Kartusche 21 oder in einem Datenspeicher 59 des Grundteils 56 eine dem verwendeten Flüssigkeitsgemisch angepasste Spannungskurve Uh(t) hinterlegt. Dies ermöglicht es, den Spannungsverlauf Uh(t) dem ver- wendeten Liquid angepasst vorzugeben, so dass die Heiztemperatur des Heizelements 36 gemäß der exakt bekannten Verdampfungskinetik des jeweiligen Liquids zeitlich über den Verdampfungsvorgang steuerbar ist, wodurch optimale Verdampfungsergebnisse erzielbar sind. Die Verdampfungstemperatur liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 100 °C und 400 °C, weiter bevorzugt zwischen 150 °C und 350 °C, noch weiter bevorzugt zwischen 190 °C und 290 °C.
Die Verdampfungseinheit 20 ist so eingestellt, dass eine vorteilhafte Flüssigkeitsmenge im Bereich zwischen 1 μΙ und 20 μΙ, weiter vorzugsweise zwischen 2 μΙ und 10 μΙ, noch weiter vorzugsweise zwischen 3 μΙ und 5 μΙ, typischerweise 4 μΙ pro Zug des Konsumenten, zudosiert wird. Vorzugsweise kann die Verdampfungseinheit 20 hinsichtlich der Flüssigkeitsmenge pro Zug einstellbar sein.
Der Zerstäuber 22 kann vorteilhaft so eingestellt sein, dass im Aerosol 40 überwiegend Flüssigkeitstropfen mit einem Durchmesser im Bereich zwischen 0,05 μηι und 5 μηι, be- vorzugt zwischen 0,1 μηι und 3 μηι entstehen. Tröpfchengrößen im Bereich zwischen 0,05 und 5 MMAD (mass median aerodynamic diameter, massen-medianer aerodynamischer Durchmesser), vorzugsweise zwischen 0,1 und 3 MMAD, weiter vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 MMAD, noch weiter vorzugsweise zwischen 0,7 und 1 ,5 MMAD, beispielsweise um ca. 1 MMAD können optimal sein. MMAD entspricht einer EU-Norm und wird in μηι spezifiziert.
Das Heizelement 36, die Durchflusssteuereinrichtung 8 und/oder der Zerstäuber 22 werden vorteilhaft mit einer geeigneten Ansteuerfrequenz typischerweise im Hz- oder kHz- Bereich und beispielsweise zwischen 1 Hz und 50 kHz, bevorzugt zwischen 30 Hz und 30 kHz, besonders bevorzugt zwischen 100 Hz und 25 kHz elektrisch angesteuert. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Ansteuerfrequenz im Bereich zwischen 5 Hz und 50 Hz, bevorzugt zwischen 10 Hz und 40 Hz liegen.
In einer weiteren Ausführungsform können Heizelement 36, Durchflusssteuereinrichtung 8 und/oder Zerstäuber 22 kontinuierlich an-gesteuert und/oder geregelt werden, insbesondere über Teilabschnitte eines Zugs, Puffs und/oder eine Serie aufeinanderfolgender Züge bzw. Puffs.

Claims

Verdampfereinheit (20) für einen Inhalator, mit einem Zerstäuber (22) zum Zerstäuben von aus einem Flüssigkeitsspeicher (18) zugeführter Flüssigkeit und einem Heizelement (36), dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (36) zum Erwärmen von durch die Verdampfereinheit (20) strömender Luft eingerichtet und angeordnet ist und der Zerstäuber (22) stromabwärts von dem Heizelement (36) angeordnet ist, so dass die von dem Zerstäuber (22) zerstäubte Flüssigkeit in den von dem Heizelement (36) erwärmten Luftstrom eingesprüht wird.
Verdampfereinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (36) und der Zerstäuber (22) in einem luftdurchströmten Hauptluftkanal (3) angeordnet sind.
Verdampfereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptluftkanal (3) durch den Innenraum eines beidseitig offenen, vorzugsweise eintritts- und/oder austrittsseitig frei durchströmbaren Verdampferrohrs (2) gebildet ist.
Verdampfereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinheit (20) einen Nebenluftkanal (5) aufweist, in dem in die Verdampfereinheit (20) eingesaugte Luft unter Umgehung des Heizelements (36) und des Zerstäubers (22) strömt.
Verdampfereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenluftkanal (5) einen Eintritt (60) und einen Austritt (61 ) aufweist, wobei bevorzugt der Eintritt (60) vor dem Heizelement (36) und/oder vor dem Zerstäuber (22) und/oder der Austritt (61 ) nach dem Heizelement (36) und/oder nach dem Zerstäuber (22) angeordnet ist.
Verdampfereinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptluftkanal (3) innerhalb des Nebenluftkanals (5) angeordnet ist.
7. Verdampfereinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenluftkanal (5) benachbart, vorzugsweise beabstandet zu dem Hauptluftkanal (3) angeordnet ist.
8. Verdampfereinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptluftkanal (3) und der Nebenluftkanal (5) konzentrisch zueinander oder nebeneinanderliegend angeordnet sind.
9. Verdampfereinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptluftkanal (3) mit einer Hauptluftzutrittsöffnung (62) in Verbindung steht, welche dem Heizelement (36) vorgeordnet ist und der Nebenluftkanal (5) mit einer Nebenluftzutrittsöffnung (60) in Verbindung steht, welche der Hauptluftzutrittsöffnung (62) vorgeordnet oder nachgeordnet ist, wobei die Nebenluftzutrittsöffnung (62) dem Zerstäuber (22) vorgeordnet oder nachgeordnet ist.
10. Verdampfereinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Nebenluftkanal (5) zumindest abschnittsweise parallel zu dem Hauptluftkanal (3) erstreckt.
1 1 . Verdampfereinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt des Nebenluftkanals (5) größer oder kleiner ist als der Strömungsquerschnitt des Hauptluftkanals (3), insbesondere am Eintritt und/oder Austritt des Nebenluftkanals (5).
12. Verdampfereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit zerstäubter Flüssigkeit nach dem Zerstäuber (22) angereicherte Luftstrom mit gleichbleibender oder abnehmender Temperatur in der Verdampfereinheit (20) geführt ist, insbesondere ein dem Zerstäuber (22) in der Verdampfereinheit (20) nachgeordnetes Heizelement, insbesondere in Form eines mit thermisch leitendem Kontakt behaftetes Heizelement, vermieden ist.
13. Verdampfereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsvergleichmäßigungselement (4) zum Vergleichmäßigen des durch das Heizelement (36) erwärmten Luftstroms, vorzugsweise dem Zerstäuber (22) vorgeordnet, vorgesehen ist.
14. Verdampfereinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Strö- mungsvergleichmäßigungselement (4) in dem Hauptluftkanal (3) zwischen dem Heizelement (36) und dem Zerstäuber (22) angeordnet ist.
15. Verdampfereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts von dem Zerstäuber (22) eine Mischungszone (25) vorgesehen ist, in der eine Vermischung eines insbesondere mit verdampfter Flüssigkeit angereicherten Hauptluftstroms F2 mit einem Nebenluftstrom F3 erfolgt.
16. Verdampfereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts von dem Zerstäuber (22) ein Filter (24) zum Filtern mindestens der durch den Hauptluftkanal (3) strömenden vorgesehen ist.
17. Verdampfereinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (24) in einem Abstand hinter dem Strömungsrohr (2) angeordnet ist.
18. Verdampfereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem Datenspeicher (53; 59), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Datenspeicher (53; 59) der Verdampfereinheit (20) eine dem verwendeten Flüssigkeitsgemisch angepass- te Spannungskurve Uh(t) für das Heizelement (36) hinterlegt ist.
19. Inhalator (10) mit einer Verdampfereinheit (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
20. Verfahren zum Steuern einer Verdampfereinheit (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 18.
21 . Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizspannungs- verlauf Uh(t) dem verwendeten Flüssigkeitsgemisch angepasst vorgegeben und somit die Heiztemperatur des Heizelements (36) gemäß der Verdampfungskinetik des jeweiligen Flüssigkeitsgemischs zeitlich über den Verdampfungsvorgang gesteuert wird.
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