EP3446579A1 - 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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EP3446579A1
EP3446579A1 EP18190453.3A EP18190453A EP3446579A1 EP 3446579 A1 EP3446579 A1 EP 3446579A1 EP 18190453 A EP18190453 A EP 18190453A EP 3446579 A1 EP3446579 A1 EP 3446579A1
Authority
EP
European Patent Office
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evaporator unit
heating element
electronic control
control device
liquid
Prior art date
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EP18190453.3A
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English (en)
French (fr)
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EP3446579B1 (de
EP3446579B8 (de
Inventor
Marc Kessler
Gunnar Niebuhr
Rene Schmidt
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Koerber Technologies GmbH
Original Assignee
Hauni Maschinenbau GmbH
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Publication date
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Application filed by Hauni Maschinenbau GmbH filed Critical Hauni Maschinenbau GmbH
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Publication of EP3446579B1 publication Critical patent/EP3446579B1/de
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    • A24F40/80—Testing
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
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    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/0297—Heating of fluids for non specified applications

Definitions

  • the present invention relates to an evaporator unit for an inhaler having an electronic control device and at least one heating element, wherein the evaporator unit is adapted for evaporating liquid supplied from a liquid storage, and the evaporated liquid is taken up by an air flow flowing through the evaporator unit.
  • a wick for example of glass fiber
  • a wick is partially wrapped with a heating coil and is in communication with a liquid storage.
  • the liquid in the wick evaporates in the region of the heating coil.
  • the liquid is typically a mixture of different substances which have different boiling temperatures as well as different physiological effects.
  • the droplet size is regulated because different sized droplets are absorbed by the body at different rates.
  • the use of a suitable electronic control device allows the targeted setting of the droplet size of the droplets in the resulting aerosol by means of the adjustment of the heating temperature of the heating element designed as a heating coil.
  • Such an electronic cigarette is exemplary in the US 2016/0021930 A1 (RJ Reynolds Tobacco Company).
  • a substance having a low boiling temperature can be used up completely after a corresponding period of use without the liquid reservoir being emptied.
  • the physiological or taste effect of the resulting aerosol changes. If, for example, nicotine is used up, the smoking experience can be inhibited.
  • the object of the invention is to provide a safe, high-quality and energy-efficient evaporator unit, in which a reliable drug administration is given and a potential risk of overheating and the associated pollutant emissions can be avoided.
  • the electronic control device is set up to heat the at least one heating element with a variable control frequency.
  • control frequency with which the at least one heating element is heated in addition to the geometry and the advantageously established liquid supply has a decisive influence on the size of the droplets located in the aerosol.
  • the amount of steam produced when pulsing or otherwise heating at different frequencies is different and therefore specifically adjustable and also changes the droplet size of the aerosol substantially with the amount of steam, depending on the geometry of the heating element used.
  • a high control frequency favors the generation of smaller droplets, while a low control frequency causes the generation of larger droplets.
  • the uptake and effect of the substances present in the liquid is adjusted by the droplet size with the control frequency.
  • the heating temperature can be set according to the substances in the liquid and overheating can be avoided.
  • the energy requirement of the evaporator is improved by adjusting the droplet size over the frequency over the setting of the temperature.
  • variable control frequency is to be understood as the temporal and / or local variation of the control frequency.
  • the administration of physiological agents can be controlled and, for example, the nicotine intake during smoking can be adjusted so that the smoking pleasure is improved.
  • the electronic control device is adapted to heat the at least one heating element at a plurality of different control frequencies so as to achieve a multimodal droplet size distribution.
  • the heating of the at least one heating element with the plurality of different control frequencies means that a plurality of control frequencies can be superimposed and thus the at least one heating element simultaneously with a plurality of frequencies can be heated.
  • Several control frequencies may be present globally or at defined locations of the at least one heating element, so that the at least one heating element is divided into different areas with different control frequencies.
  • the evaporator unit has a plurality of heating elements and the electronic control device is adapted to heat different heating elements with different control frequencies.
  • the electronic control device is adapted to heat different heating elements with different control frequencies.
  • each heating element may produce one or more droplet sizes that are collectively received by the airflow passing through the evaporator unit and supplied to the user.
  • the electronic control device is adapted to control the drive frequency of the plurality of heating elements so that there is a multimodal droplet size distribution of the evaporated liquid.
  • a multimodal, adjustable droplet size distribution can be achieved. For example, if it is desired to produce droplets of large size, for example> 5 .mu.m, and droplets of small size, for example ⁇ 1 .mu.m, the heating elements can be controlled such that at least one of the heating elements generates large droplets and at least one of the heating elements generates small droplets.
  • the at least one heating element for the small droplets is heated at a high control frequency, and the at least one heating element for large droplets is heated at a low control frequency.
  • additional heating elements can be added to produce droplets of certain sizes.
  • the resulting droplet size distribution is multimodal and has maximums at the desired droplet sizes. This, for example, is conducive to a positive sense of smoke, since small droplets penetrate far into the respiratory tract, where nicotine, but also other substances, work effectively, while large droplets can be well perceived in terms of taste.
  • the targeted adjustment of the multimodal distribution corresponds to a specific adjustment of the physiological and taste effects. It would be conceivable to have a 1: 1 ratio of small and large droplets to make the effect fast (small droplets), but also long-lasting (large droplets).
  • the electronic control device is adapted to change the drive frequency of the at least one heating element over the discharge duration of the liquid storage.
  • the concentrations of the substances in the liquid may change due to their different boiling temperature and / or volatility.
  • the liquid contained in the liquid storage is separated by the differential distillation taking place during the evaporation. That is, higher-boiling components accumulate, which leads to an inhomogeneous release of active ingredient. For example, significantly less nicotine is present from about half consumed liquid storage.
  • a desired physiological effect of the active substances of the individual substances can preferably be achieved by changing the control frequency over the duration of the emptying of the fluid reservoir.
  • the electronic control device is adapted to increase the drive frequency of the at least one heating element with progressive emptying of the liquid storage.
  • nicotine evaporates at a comparatively low temperature. Therefore, the duration of emptying of the fluid reservoir decreases the dose of nicotine absorbed per puff at the same temperature and droplet size.
  • the droplets e.g. Due to large droplets at the beginning (delayed action in the body) and small droplets at the end (fast action) of the discharge duration of the fluid reservoir, the subjective perception of effect can be homogenized and concentration changes are compensated.
  • the drive frequency of the at least one heating element can be set in a targeted manner such that a desired droplet size of the evaporated liquid of, for example, ⁇ 5 ⁇ m results.
  • a desired droplet size of the evaporated liquid of, for example, ⁇ 5 ⁇ m results.
  • Droplets with a diameter or an aerodynamic diameter (MMD) of less than 5 ⁇ m do not remain in the upper respiratory tract, but penetrate into the bronchi which promotes absorption of nicotine or other active ingredients, for example for drug treatment.
  • the aerodynamic diameter is the diameter at which the entirety of those particles with a smaller or larger diameter each contribute half of the total mass of all particles.
  • the droplet size is less than or equal to 0.2 ⁇ m.
  • a drive frequency of the at least one heating element of at least 10 Hz and preferably at most 20 kHz is set.
  • the variable control frequencies according to the invention are in a preferred embodiment in the range of 10 Hz to 20 kHz, more preferably between 500 Hz and 2 kHz.
  • the frequencies can be set individually for each heating element per heater. Thus, a preferred distribution of droplet sizes and energy efficient heating can be favored.
  • the heating element is realized as a thermistor
  • the temperature can be determined via the resistance measurement.
  • a diagnosis of the operating state, the state of the liquid-wetted heating element (with wrong liquid, no liquid, too little liquid, right amount of liquid and / or too much liquid) and / or possible malfunctions can be performed.
  • the driving and measuring device a data processing unit or is connected to such.
  • the drive and measuring device has a reference resistor connected in series with the heating element.
  • each heating element is connected in series with a separate reference resistor. This allows a precise resistance measurement of the heating element or the heating elements.
  • the drive and measuring device has at least one operational amplifier.
  • An operational amplifier can amplify the current flowing through the heating element and allow easy evaluation by the data processing unit.
  • the driving and measuring device has a switching device.
  • the switching device can turn on the driving and measuring device when no heating voltage applied to the heating element (follow-up phase) and turn off when a heating voltage applied to the heating element (heating or evaporation phase). But it can also be measured during a heating pulse in the evaporation phase.
  • the measurement results of the switching device are preferably processed in the preferably common data processing unit.
  • the electronic control unit may be configured to perform the aforementioned measures such as control, regulation, control or further measurement on the basis of the measured values.
  • the at least one heating element is designed as a microsystem unit.
  • a microsystem unit preferably has a very low heat capacity and / or a high thermal conductivity.
  • the heating element has a low thermal inertia and can rapidly change its temperature and cause a particularly rapid evaporation.
  • a rapid change in temperature is particularly preferred at high control frequencies and allows the production of very small droplets.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of an inhaler 10, for example, an electronic cigarette product.
  • the inhaler comprises a substantially rod-shaped or cylindrical housing 11 with a mouth end 15 and one or more air inlet openings 16.
  • the mouth end 15 designates the end at which the user pulls for the purpose of inhalation.
  • an air channel is provided, which is passable by an air flow 17.
  • the inhaler 10 is subjected to a negative pressure, as a result of which an air flow 17 in the air channel is established between the air inlet openings 16 and the mouth end 15.
  • the air inlet openings 16 may be arranged on the shell side of the housing 11. Additionally or alternatively, at least one air inlet opening 16 may be provided at the end of the inhaler 10, which is opposite to the mouth end 15.
  • the air stream 17 passes through an evaporator unit 20 arranged in the housing 11.
  • the evaporator unit 20 is provided with liquid from a liquid reservoir 12 and has at least one heating element 36.
  • the inhaler 10 comprises the liquid reservoir 12, which accommodates the liquid to be evaporated.
  • An advantageous volume of the liquid reservoir 12 is in the range of 0.1-5 ml, preferably between 0.5-3 ml, more preferably between 0.7-2 ml or 1.5 ml.
  • the liquid reservoir 12 preferably has a closed surface and is preferably a flexible bag. The liquid supply advantageously results from the evaporated liquid quantity.
  • the evaporator unit 20 is supplied with liquid from the liquid storage 12 and electrically controlled to evaporate the liquid and add it to the air flow 17 in the form of gas and / or aerosol.
  • the evaporator unit 20 is disposed in the housing 11 in an axial heating section.
  • the amount of aerosol generated in the evaporator unit 20 can be changed both by changing the applied voltage and by the number of heating elements 36 used in parallel.
  • an electrical voltage may be pulsed, oscillating or applied to the heating elements 36 by pulse width modulation.
  • the characteristic of the voltage for example the amplitude and / or the frequency spectrum, can be advantageously adjusted over time or by adjustment of the user of the inhaler 10.
  • the inhaler 10 comprises an electronic unit 14, which is in communication with a power source 27 and can perform measurement, control, regulation, data processing and / or data transfer.
  • the electronic unit 14 advantageously comprises an electronic control device 21, in particular a microprocessor or microcontroller.
  • the electronic unit 14 may preferably include an interface configured to output data to the user of the inhaler 10 and / or to have data entered by the user of the inhaler 10.
  • a smoker can choose their favorite setting via their smartphone and Bluetooth connectivity and share it via social networks, make recommendations, and statistically evaluate their data and user behavior.
  • the data preferably comprise data about the at least one heating element 36, the control frequencies, the level the liquid storage 12, the power source 27 and / or diagnostic and error data.
  • the power source 27 may be a disposable electrochemical battery or a rechargeable electrochemical battery, e.g. a Lilon battery or a Li-battery.
  • a step-up converter can be, starting from, for example, a lithium battery with 2.7-4.1 V, variable, adapted to the heating elements 36 voltages up to, for example 43 V, preferably 5-15 V, particularly preferably 2.7-15 V. , more preferably 3.6-6V, generate.
  • the current source 27 serves to supply all active electrical components in the inhaler 10 electrically.
  • the inhaler 10 is preferably modular and divided into at least one consumer unit and at least one reusable unit.
  • the evaporator unit 20 may be a replaceable cartridge, or part of such a cartridge.
  • the main body of the inhaler 10 may be reusable.
  • the electronic unit 14 and / or the current source 27 are preferably connected via an interface with the evaporator unit 20.
  • the power source 27 and / or the liquid storage 12 can be arranged in a consumption unit and intended for one-way use or arranged for reusable consumption in a reusable unit in the housing 11.
  • the evaporator unit 20 can be used in electronic cigarette products as well as in medical inhalers. In addition to use in rod-shaped electronic cigarette products, the evaporator unit 20 can be used in electronic pipes, shishas or other products in which a liquid is to be evaporated from a liquid reservoir 12.
  • FIG. 2 Fig. 12 shows a circuit diagram for a preferred embodiment of the inhaler 10 with, for example, three heating elements 36. In other embodiments, not shown, the number of heating elements 36 is more or less than three.
  • the inhaler 10 includes a driving and measuring device 22, which is advantageously supplied by the electronic unit 14 by the power source 27 with electric current.
  • the driving and measuring device 22 is controlled by the electronic control device 21.
  • the drive and measuring device 22 comprises an operational amplifier 23, a switching device 24, at least one reference resistor 25 and at least one transistor 26.
  • Preferably, for each heating element 36 is a reference resistor 25 connected in series (shunt) and a likewise connected in series thereto transistor 26th intended.
  • the electronic unit 14 comprises the operational amplifier 23, the switching device 24, the reference resistor (s) 25 and / or the transistor (s) 26.
  • the electronic control device 21 is adapted to detect a pull by the consumer by means of a suitable sensor, for example by means of a pressure sensor, and consequently to control the heating elements 36 in the evaporator unit 20 in order to heat the liquid to a suitable temperature.
  • the electronic control unit 21 is connected to the transistors 26 and can control them independently of each other to independently control the heating elements 36 corresponding to the transistors 26.
  • the electronic control device 21 is connected to the switching device 24 and the operational amplifier 23 as in FIG FIG. 2 shown connected to realize resistance measurements of the heating elements 36. Further sensors for the measurement of temperatures, pressures, and other variables for describing the operating state can be contained in the drive and measurement device 22 and coupled to the electronic control device 21.
  • the operational amplifier 23 (current shunt monitor) is connected to the control unit 21, a ground, a positive pole, the reference resistor 25 and the switching device 24 and serves, for example, to measure the voltage drop between one of the reference resistors 25 and the voltage source 27.
  • An amplified measurement result is the operational amplifier 23 to the control unit 21 on where the data processing is done to determine the measured resistance of the corresponding heating element 36.
  • the switching device 24 is controlled by the control unit 21 and preferably sets one of the reference resistors 25 as the reference resistor 25 to be measured. Preferably, an electrical connection is made with the switching device 24 between the heating element 36 and the associated reference resistor 25.
  • the switching device 24 preferably has a switch for each reference resistor 25 to be measured, in order to enable targeted measurement.
  • the reference resistors 25 are preferably ohmic resistors.
  • Each heating element 36 has a reference resistor 25 for current measurement.
  • the transistors 26 are preferably designed as field-effect transistors (FET) and serve to control and regulate the heating elements 36. Each heating element 36 can be controlled via an associated transistor 26.
  • FET field-effect transistors
  • a suitable circuit can be integrated in addition to the individual control of the heating elements 36 and control mechanisms. In this way, monitoring and control of the evaporator unit 20 succeeds. Measurements can be made when switching on, off and / or during a train, but with the heating voltage switched off, for example every 10-1000 ms per channel, preferably 20-500 ms, particularly preferably 250 -400 ms. By multiplexing and modulating the signals onto a carrier signal, the amount of data can be reduced.
  • the obtained current data of the individual heating elements 36 correlate with their resistance.
  • the resistance clearly correlates with the temperature of the respective heating element 36.
  • resistance and temperature information can be used to control and regulate the heating elements 36.
  • a detailed error detection allows the detection of, for example, incorrect, too little or too much liquid or a defective heating element 36; an accurate state detection taking into account the known during the heating process thermodynamic state and the composition of the liquid is possible.
  • thermometers preferably thermometers, humidity and / or pressure sensors to accurately characterize the operating state of the evaporator 20 and / or the heating elements 36.
  • the heating elements 36 are preferably implemented as ohmic resistors and as a microsystem unit (e.g., MEMS).
  • the design as a microsystem unit is particularly advantageous because of its very fine structures in the micron range and the associated thermal properties.
  • the microsystem heating elements 36 are preferably made of a semiconductor material, for example doped silicon. This is inert and has no catalytic effect and the heating element 36 can thus be made particularly small, reproducible and stable.
  • a temperature-variable resistance of, for example, 0.1-20 ohms, preferably 0.5-1.5 ohms, can be set.
  • a temperature-dependent NTC or PTC behavior of the resistance of the heating elements 36 can be achieved, i. the resistance decreases or increases with increasing temperature.
  • the heating elements 36 are connected to the liquid storage 12. For example, the liquid is conveyed capillary into a pore structure of the heating elements 36. If the heating elements 36 are heated to a temperature above a boiling temperature of a component of the liquid, evaporation takes place on the surface of the heating elements 36.
  • the structure and surface of the heating elements 36 may, for example, also be based on bionic structures, such as tracheae.
  • a capillary barrier for air from one side and liquid from the other side can be formed.
  • the Heater structures are disposed along the air-to-liquid interface, and upon reaching a boiling temperature, the vaporized liquid may pass through the heater structure and be supplied to the airflow 17.
  • the heating elements 36 preferably each have a layer structure, wherein in each case a heating element 36 has an area of preferably 0.25-6 mm 2 , particularly preferably 0.5-3 mm 2 .
  • the total area of all heating elements 36 is preferably 0.2-1 cm 2 , more preferably 0.3-0.8 cm 2 , and a preferred layer thickness is in the range of 3-400 ⁇ m in order to achieve an optimum ratio to the liquid volume to be evaporated, depending on the heating surface ,
  • the pores of the heater structure for example, have a diameter between 10-100 microns, preferably between 15-50 microns.
  • the design of the heating elements 36 as a microsystem unit offers the possibility of influencing the amount of steam at the same applied average (evaporative) power by changing the drive frequency. This allows a particularly efficient and energy-saving steam generation by the heating elements 36. If the heating element 36 is driven at a certain frequency, ie heated, the proportion of the heating power brought into the evaporation increases with increasing frequency at the same average heating power up to an optimum. Thus, higher vapor levels are to be expected at higher frequencies as the resulting vaporization efficiency increases. The optimization of the energy input leads incidentally to a reduced power consumption.
  • a change in the aerosol quality with the drive frequency of the heating elements 36 can furthermore be observed.
  • a finer droplet size distribution can be determined, i. the distribution of droplet size shifts in favor of a smaller droplet size. This is due to a, with increasing frequency improved entry of the heat in the liquid to be evaporated. It is suitably pulsed or chosen a sufficient frequency that the heat of the heating element 36 can go into the liquid and without that losses due to too high energy input at too high a frequency (short pulse duration) or too strong cooling at too low a frequency (long Pulse duration).
  • the heating elements 36 are designed as a microsystem unit and are able to follow the rapid change of energy input with its Schundtemperatur, i. have only a low thermal inertia. In contrast to a spiral or lattice structure, the heating elements 36 have a much higher cutoff frequency.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram for a preferred embodiment of the inhaler 10 with, for example, a heating element 36th
  • the inhaler 10 comprises a driving and measuring device 22, which is advantageously comprised by the electronic unit 14 and is supplied with electric current by the current source 27.
  • the driving and measuring device 22 is controlled by the electronic control device 21.
  • the driving and measuring device 22 comprises an operational amplifier 23, a switching device 24, a reference resistor 25 and a transistor 26.
  • the switching device 24 may be recessed with the use of only one heating element 36 in order to allow a simpler and more cost-effective design.
  • the heating element 36 can be subjected to different and changeable drive frequencies. Both a superposition of different drive signals as well as a temporal change and / or modulation are conceivable in order to achieve a desired droplet size distribution.
  • FIG. 4 shows an example of the time course of the heating voltage U H , which is applied to the heating element 36.
  • the heating element 36 is heated in this embodiment, depending on the time t with pulses 32.
  • a period 33 is subdivided into an evaporation phase 30 and a subsequent phase 31.
  • a heating voltage U H is applied to the heating element 36 and allows evaporation of the liquid located on and / or on the heating element 36.
  • the follow-up phase 31 preferably no heating voltage is applied to the heating element 36.
  • an evaporation phase 30 takes place, the length of which is defined by the duty cycle.
  • 33 different heating elements 36 can be measured sequentially during a period 33 and / or a shorter fraction of a period. With a suitable period duration 33, it is also possible to carry out a plurality of measurements, controls, controls and / or checks on different heating elements 36. In a preferred embodiment, at regular intervals to the controller, Regulation, control and / or data processing simplified.
  • the heating power in the form of other alternating currents, periodic and aperiodic gradients is conceivable.
  • the period 33 changes in a preferred embodiment over the duration of the operation and / or is preferably adjustable.
  • Each heating element 36 can be heated identically or differently.
  • FIG. 5 shows an example of the timing of the drive frequency f, which is applied to the heating element 36.
  • the drive frequency f increases over the course of time t over the duration 42.
  • the duration 42 can be given for example by the discharge duration of the liquid reservoir 12.
  • the broken time axis makes it clear that the emptying time in this example should not be limited to the illustrated number of five trains 10.
  • the drive frequency f is constant over a train 40.
  • the heating power to the heating element 36 follows, for example, during a train to in FIG. 4 illustrated course.
  • the individual trains 40 are interrupted by pauses 41 in which measurement, control, regulation and / or control of the operating state can take place. From train 40 to train 40, the driving frequency f increases over time t and, over time t, allows ever smaller droplets to be generated, for example to homogenize smoking experience and nicotine administration. Depending on the application, other temporal characteristics of the frequency are conceivable.

Landscapes

  • Catching Or Destruction (AREA)
  • Medicinal Preparation (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Special Spraying Apparatus (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

Eine Verdampfereinheit (20) für einen Inhalator (10) mit einer elektronischen Steuereinrichtung (21) und mindestens einem Heizelement (36) ist zum Verdampfen von aus einem Flüssigkeitsspeicher (12) zugeführter Flüssigkeit eingerichtet. Die verdampfte Flüssigkeit wird von einem durch die Verdampfereinheit (20) strömenden Luftstrom aufgenommen. Die elektronische Steuereinrichtung (21) ist dazu eingerichtet, das mindestens eine Heizelement (36) mit variabler Steuerfrequenz zu beheizen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfereinheit für einen Inhalator mit einer elektronischen Steuereinrichtung und mindestens einem Heizelement, wobei die Verdampfereinheit zum Verdampfen von aus einem Flüssigkeitsspeicher zugeführter Flüssigkeit eingerichtet ist, und die verdampfte Flüssigkeit von einem durch die Verdampfereinheit strömenden Luftstrom aufgenommen wird.
  • Der überwiegende Teil der aktuell auf dem Markt befindlichen Verdampfereinheiten ist in einem elektronischen Zigarettenprodukt realisiert und basiert auf dem sogenannten Docht-Wendel-Prinzip. Ein Docht, z.B. aus Glasfaser, ist partiell mit einer Heizwendel umwickelt und steht mit einem Flüssigkeitsspeicher in Verbindung. Bei Erwärmung der Heizwendel verdampft die in dem Docht befindliche Flüssigkeit im Bereich der Heizwendel. Die Flüssigkeit ist typischerweise ein Gemisch aus verschiedenen Substanzen, welche verschiedene Siedetemperaturen sowie verschiedene physiologische Wirkungen aufweisen. Um die Wirkung zu steuern wird die Tröpfchengröße reguliert, da verschieden große Tröpfchen verschieden schnell vom Körper resorbiert werden. Der Einsatz einer geeigneten elektronischen Steuereinrichtung erlaubt das gezielte Einstellen der Tröpfchengröße der im resultierenden Aerosol befindlichen Tröpfchen mittels der Einstellung der Heiztemperatur des als Heizwendel ausgeführten Heizelements. Eine solche elektronische Zigarette ist beispielhaft in der US 2016/0021930 A1 (R.J. Reynolds Tobacco Company) beschrieben.
  • Infolge der verschiedenen Siedetemperaturen der in der Flüssigkeit vorhandenen Substanzen kann beispielsweise eine Substanz mit einer niedrigen Siedetemperatur nach entsprechender Nutzungsdauer gänzlich aufgebraucht sein, ohne dass der Flüssigkeitsspeicher entleert ist. Somit ändert sich im Laufe des Konsums die physiologische oder geschmackliche Wirkung des resultierenden Aerosols. Ist beispielsweise Nikotin aufgebraucht, kann das Raucherlebnis gehemmt sein.
  • Ferner kann es durch die unkontrollierbare Temperaturentwicklung zu einer ungewollten partiellen Erhitzung und Überhitzung der Flüssigkeit, oder einer der darin befindlichen Substanz und somit zu unerwünschter Schadstoffemission kommen.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine sichere, hochqualitative und energieeffiziente Verdampfereinheit bereitzustellen, bei der eine zuverlässige Wirkstoffverabreichung gegeben ist und eine potentielle Überhitzungsgefahr und die damit verbundenen Schadstoffemissionen vermieden werden kann.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Es wird vorgeschlagen, dass die elektronische Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, dass das mindestens eine Heizelement mit variabler Steuerfrequenz beheizt wird.
  • Es hat sich gezeigt, dass die Steuerfrequenz, mit welcher das mindestens eine Heizelement beheizt wird, neben der Geometrie und der vorteilhaft eingerichteten Liquidversorgung einen entscheidenden Einfluss auf die Größe der im Aerosol befindlichen Tröpfchen hat. Die beim Pulsen oder anderweitigen Heizen mit verschiedenen Frequenzen entstehende Dampfmenge ist unterschiedlich und daher gezielt einstellbar und zudem ändert sich mit der Dampfmenge die Tröpfchengröße des Aerosols wesentlich, abhängig von der Geometrie des verwendeten Heizelements. Eine hohe Steuerfrequenz begünstigt die Erzeugung kleinerer Tröpfchen, während eine niedrige Steuerfrequenz die Erzeugung größerer Tröpfchen bedingt. Erfindungsgemäß wird die Aufnahme und Wirkung der in der Flüssigkeit befindlichen Substanzen durch die Tröpfchengröße mit der Steuerfrequenz eingestellt. Weiterhin kann die Heiztemperatur entsprechend der in der Flüssigkeit befindlichen Substanzen eingestellt und eine Überhitzung vermieden werden. Ferner hat sich gezeigt, dass der Energiebedarf des Verdampfers durch das Einstellen der Tröpfchengröße über die Frequenz gegenüber dem Einstellen der Temperatur verbessert wird.
  • Das erfindungsgemäße Beheizen mit einer variablen Steuerfrequenz erlaubt die Bildung von Tröpfchen mit variabler Größe und somit eine variable Wirkung. Unter dem Begriff der variablen Steuerfrequenz ist die zeitliche und/oder örtliche Variation der Steuerfrequenz zu verstehen. Durch eine beispielsweise zeitlich variable Steuerung kann die Gabe von physiologischen Wirkstoffen gesteuert werden und beispielsweise die Nikotinzufuhr beim Rauchen derart eingestellt werden, dass der Rauchgenuss verbessert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektronische Steuereinrichtung dazu eingerichtet, das mindestens eine Heizelement mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Steuerfrequenzen zu beheizen, um so eine multimodale Tröpfchengrößenverteilung zu erzielen. Das Beheizen des mindestens einen Heizelements mit der Mehrzahl von unterschiedlichen Steuerfrequenzen heißt, dass mehrere Steuerfrequenzen überlagert werden können und damit das mindestens eine Heizelement gleichzeitig mit einer Mehrzahl von Frequenzen beheizt werden kann. Mehrere Steuerfrequenzen können global oder an definierten Orten des mindestens einen Heizelementes anliegen, sodass das mindestens eine Heizelement in verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Steuerfrequenzen aufgeteilt ist.
  • Vorzugsweise weist die Verdampfereinheit eine Mehrzahl von Heizelementen auf und die elektronische Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, verschiedene Heizelemente mit verschiedenen Steuerfrequenzen zu beheizen. Durch das Ansteuern verschiedener Heizelemente mit verschiedenen Steuerfrequenzen können verschiedene Tröpfchengrößen gleichzeitig realisiert werden. Jedes Heizelement kann beispielsweise eine oder mehrere Tröpfchengrößen hervorbringen, welche gemeinsam von dem durch die Verdampfereinheit strömenden Luftstrom aufgenommen und dem Anwender zugeführt werden.
  • Vorteilhaft ist die elektronische Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Ansteuerfrequenz der Mehrzahl von Heizelementen so anzusteuern, dass sich eine multimodale Tröpfchengrößenverteilung der verdampften Flüssigkeit ergibt. Werden mehrere Heizelemente parallel mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert, lässt sich eine multimodale, einstellbare Tröpfchengrößenverteilung erzielen. Ist es beispielsweise erwünscht, Tröpfchen großer Größe, beispielsweise >5µm, und Tröpfchen kleiner Größe, beispielsweise <1µm, zu erzeugen, können die Heizelemente derart angesteuert werden, dass mindestens eines der Heizelemente große Tröpfchen und mindestens eines der Heizelemente kleine Tröpfchen erzeugt. Vorzugsweise wird dafür das mindestens eine Heizelement für die kleinen Tröpfchen mit einer hohen Steuerfrequenz beheizt und das mindestens eine Heizelement für große Tröpfchen mit einer niedrigen Steuerfrequenz beheizt. Ebenso können weitere Heizelemente hinzugenommen werden, um Tröpfchen bestimmter Größen zu erzeugen.
  • Die resultierende Tröpfchengrößenverteilung ist multimodal und weist bei den gewünschten Tröpfchengrößen Maxima auf. Dies ist beispielsweise einem positiven Rauchempfinden zuträglich, da kleine Tröpfchen weit in die Atemwege vordringen, wo Nikotin, aber auch andere Substanzen effektiv wirken, während große Tröpfchen geschmacklich gut wahrgenommen werden können. Die gezielte Einstellung der multimodalen Verteilung entspricht einer gezielten Einstellung der physiologischen und geschmacklichen Wirkung. Denkbar wäre ein 1:1 Verhältnis von kleinen und großen Tröpfchen, um die Wirkung schnell (kleine Tröpfchen), aber auch langanhaltend (große Tröpfchen) zu gestalten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektronische Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Ansteuerfrequenz des mindestens einen Heizelements über die Entleerungsdauer des Flüssigkeitsspeichers zu ändern. Über die Dauer der Entleerung des Flüssigkeitsspeichers können sich die Konzentrationen der in der Flüssigkeit befindlichen Substanzen aufgrund ihrer unterschiedlichen Siedetemperatur und/oder Flüchtigkeit ändern. Die im Flüssigkeitsspeicher enthaltene Flüssigkeit entmischt sich durch die während der Verdampfung ablaufende differentielle Destillation. D.h. höhersiedende Komponenten reichern sich an, was zu einer inhomogenen Wirkstoffabgabe führt. Beispielsweise ist etwa ab einem halbverbrauchten Flüssigkeitsspeicher signifikant weniger Nikotin vorhanden. Eine gewünschte physiologische Wirkung der Wirkstoffe der einzelnen Substanzen kann vorzugsweise über Änderung der Steuerfrequenz über die Dauer der Entleerung des Flüssigkeitsspeichers erzielt werden.
  • Vorzugsweise ist die elektronische Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Ansteuerfrequenz des mindestens einen Heizelements bei fortschreitender Entleerung des Flüssigkeitsspeichers zu erhöhen. Nikotin beispielsweise verdampft bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur. Daher sinkt über die Dauer der Entleerung des Flüssigkeitsspeichers die pro Zug aufgenommene Dosis an Nikotin bei gleichbleibender Temperatur und Tröpfchengröße. Durch eine Anpassung der Tröpfchen, z.B. durch große Tröpfchen am Anfang (verzögerte Wirkung im Körper) und kleine Tröpfchen am Ende (schnelle Wirkung) der Entleerungsdauer des Flüssigkeitsspeichers lässt sich das subjektive Wirkungsempfinden homogenisieren und Konzentrationsveränderungen werden ausgeglichen. Um ein positives Raucherlebnis zu fördern, wird vorgeschlagen, die Steuerfrequenz über die Dauer der Entleerung des Flüssigkeitsspeichers anzuheben und mehr kleinere Tröpfchen zu produzieren, um das Raucherlebnis konstant zu halten.
  • Es ist von Vorteil, die Ansteuerfrequenz des mindestens einen Heizelements über die Dauer eines Zuges zu verändern. Über die Dauer eines Zuges kann die physiologische und geschmackliche Wirkung positiv beeinflusst werden, wenn die Steuerfrequenz und somit die Tröpfchengröße eingestellt wird.
  • Vorzugsweise kann die Ansteuerfrequenz des mindestens einen Heizelements gezielt so eingestellt werden, dass sich eine gewünschte Tröpfchengröße der verdampften Flüssigkeit von beispielsweise ≤ 5 µm ergibt. Tröpfchen mit einem Durchmesser beziehungsweise einem aerodynamischen Durchmesser (Mass Median Aerodynamic Diameter - MMAD) von weniger als 5µm verbleiben nicht in den oberen Atemwegen, sondern dringen in die Bronchien ein, was eine Resorption von Nikotin oder anderen Wirkstoffen beispielsweise zur medikamentösen Behandlung begünstigt. Der aerodynamische Durchmesser ist der Durchmesser, bei denen die Gesamtheit jener Partikel mit einem kleineren oder größeren Durchmesser jeweils zur Hälfte der Gesamtmasse aller Partikel beitragen. In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist die Tröpfchengröße kleiner gleich 0.2µm. Diese sehr kleinen Tröpfchen mit einem MMAD oder Durchmesser von weniger als 1µm dringen bis in die Alveolen vor und passieren dort besonders schnell die Blut-Hirn-Schranke. Eine Wirkung kann so entsprechend der Tröpfchengröße früh oder spät eintreten. Durch die Einstellung der Tröpfchengröße lässt sich somit die Wirkzeit beeinflussen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Ansteuerfrequenz des mindestens einen Heizelements von mindestens 10 Hz und vorzugsweise höchsten 20 kHz eingestellt. Die erfindungsgemäß variablen Steuerfrequenzen liegen in einer bevorzugten Ausführungsform im Bereich von 10 Hz bis 20 kHz, besonders bevorzugt zwischen 500 Hz und 2 kHz. Die Frequenzen lassen sich für jedes Heizelement individuell pro Heizer einstellen. Somit kann eine bevorzugte Verteilung der Tröpfchengrößen sowie ein energieeffizientes Heizen begünstigt werden.
  • Es ist von Vorteil, den Widerstand des mindestens einen Heizelements zu messen. Ist das Heizelement als Thermistor realisiert, kann über die Widerstandsmessung die Temperatur ermittelt werden. Vorzugsweise kann eine Diagnose des Betriebszustandes, des Zustands des mit Flüssigkeit benetzten Heizelements (mit falschem Liquid, kein Liquid, zu wenig Liquid, richtiger Liquidmenge und/oder zu viel Liquid) und/oder möglicher Fehlfunktionen durchgeführt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ansteuerungs- und Messeinrichtung eine Datenverarbeitungseinheit oder ist mit einer solchen verbunden.
  • Vorteilhaft weist die Ansteuerungs- und Messeinrichtung einen mit dem Heizelement in Serie geschalteten Referenzwiderstand auf. Vorzugsweise ist jedes Heizelement mit einem separaten Referenzwiderstand in Serie geschaltet. Dies ermöglicht eine präzise Widerstandsmessung des Heizelements bzw. der Heizelemente.
  • Vorzugsweise weist die Ansteuerungs- und Messeinrichtung mindestens einen Operationsverstärker auf. Ein Operationsverstärker kann den durch das Heizelement fließenden Strom verstärken und eine einfache Auswertung durch die Datenverarbeitungseinheit ermöglichen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ansteuerungs- und Messeinrichtung eine Schalteinrichtung auf. Die Schalteinrichtung kann die Ansteuerungs- und Messeinrichtung einschalten, wenn keine Heizspannung an dem Heizelement anliegt (Folgephase) und ausschalten, wenn eine Heizspannung an dem Heizelement anliegt (Heiz- oder Verdampfungsphase). Es kann aber auch während eines Heizpulses in der Verdampfungsphase gemessen werden. Die Messergebnisse der Schalteinrichtung werden bevorzugt in der vorzugsweise gemeinsamen Datenverarbeitungseinheit verarbeitet.
  • Bevorzugt wird oder werden auf der Grundlage der Messwerte eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen durchgeführt:
    • Zustandskontrolle, Überwachung und/oder Fehlerdetektion der Verdampfereinheit;
    • Steuerung oder Regelung der Verdampfereinheit mit entsprechender Zeitskala;
    • Ermittlung der Temperatur des mindestens einen Heizelements.
  • Die elektronische Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, auf Grundlage der Messwerte die zuvor genannten Maßnahmen wie Kontrolle, Regelung, Steuerung oder weitere Messung vorzunehmen.
  • Vorzugsweise ist das mindestens eine Heizelement als mikrosystemtechnische Einheit ausgeführt. Eine mikrosystemtechnische Einheit (MEMS) weist vorzugsweise eine sehr geringe Wärmekapazität und/oder eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Dadurch weist das Heizelement eine niedrige thermische Trägheit auf und kann zügig seine Temperatur ändern und ein besonders schnelles Verdampfen bewirken. Eine zügige Temperaturänderung ist besonders bei hohen Steuerfrequenzen bevorzugt und ermöglicht die Produktion besonders kleiner Tröpfchen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
    • Fig. 1
    einen schematischen Aufbau eines Inhalators;
    Fign. 2,3
    einen Schaltplan für eine bevorzugte Ausführungsform eines Inhalators;
    Fig. 4
    ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Heizspannung; und
    Fig. 5
    ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Ansteuerfrequenz.
  • Figur 1 zeigt den schematischen Aufbaus eines Inhalators 10, beispielsweise eines elektronischen Zigarettenproduktes. Der Inhalator umfasst ein im Wesentlichen stabförmiges oder zylindrisches Gehäuse 11 mit einem Mundende 15 und einer oder mehrerer Lufteinlassöffnungen 16. Das Mundende 15 bezeichnet dabei das Ende, an dem der Anwender zwecks Inhalation zieht. Zwischen dem Mundende 15 und den Lufteinlassöffnungen 16 ist ein Luftkanal vorgesehen, welcher durch einen Luftstrom 17 passierbar ist. Zieht der Anwender am Mundende 15 wird der Inhalator 10 mit einem Unterdruck beaufschlagt, aufgrund dessen sich ein Luftstrom 17 im Luftkanal zwischen den Lufteinlassöffnungen 16 und dem Mundende 15 einstellt. Die Lufteinlassöffnungen 16 können an der Mantelseite des Gehäuses 11 angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann an dem Ende des Inhalators 10, welches dem Mundende 15 entgegengesetzt ist, mindestens eine Lufteinlassöffnung 16 vorgesehen sein.
  • Der Luftstrom 17 passiert eine in dem Gehäuse 11 angeordnete Verdampfereinheit 20. Die Verdampfereinheit 20 wird mit Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsspeicher 12 vorsorgt und verfügt über mindestens ein Heizelement 36. Der Inhalator 10 umfasst den Flüssigkeitsspeicher 12, welcher die zu verdampfende Flüssigkeit beherbergt. Ein vorteilhaftes Volumen des Flüssigkeitsspeichers 12 liegt im Bereich von 0.1-5 ml, vorzugsweise zwischen 0.5-3 ml, weiter vorzugsweise zwischen 0.7-2 ml oder 1.5 ml. Der Flüssigkeitsspeicher 12 weist vorzugsweise eine geschlossene Oberfläche auf und ist vorzugsweise ein flexibler Beutel. Die Flüssigkeitszufuhr ergibt sich vorteilhaft aus der verdampften Flüssigkeitsmenge.
  • Die Verdampfereinheit 20 wird mit Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsspeicher 12 versorgt und elektrisch angesteuert, um die Flüssigkeit zu verdampfen und in Form von Gas und/oder Aerosol dem Luftstrom 17 zuzugeben. Die Verdampfereinheit 20 ist in einem axialen Heizabschnitt in dem Gehäuse 11 angeordnet.
  • Die Menge des in der Verdampfereinheit 20 erzeugten Aerosols lässt sich sowohl durch Ändern der anliegenden elektrischen Spannung als auch durch die Anzahl der parallel eingesetzten Heizelemente 36 ändern. Eine elektrische Spannung kann beispielsweise gepulst, oszillierend oder mittels Pulsweitenmodulierung an den Heizelementen 36 anliegen. Die Charakteristik der Spannung, beispielsweise die Amplitude und/oder das Frequenzspektrum, kann im Laufe der Zeit oder durch Einstellung des Anwenders des Inhalators 10 vorteilhaft eingestellt werden.
  • Der Inhalator 10 umfasst eine elektronische Einheit 14, welche mit einer Stromquelle 27 in Verbindung steht und Messung, Steuerung, Regelung, Datenverarbeitung und/oder Datentransfer vornehmen kann. Die elektronische Einheit 14 umfasst zu diesem Zweck vorteilhaft eine elektronische Steuereinrichtung 21, insbesondere einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller. Die elektronische Einheit 14 kann vorzugsweise eine Schnittstelle umfassen, die dazu eingerichtet ist, Daten an den Anwender des Inhalators 10 ausgeben zu lassen und/oder Daten durch den Anwender des Inhalators 10 eingeben zu lassen. Beispielsweise kann ein Raucher seine favorisierte Einstellung über sein Smartphone und Bluetooth-Konnektivität wählen und diese über soziale Netzwerke teilen, Empfehlungen aussprechen und seine Daten und sein Nutzerverhalten statistisch auswerten. Die Daten umfassen dabei vorzugsweise Daten über das mindestens eine Heizelement 36, die Steuerfrequenzen, den Füllstand des Flüssigkeitsspeichers 12, die Stromquelle 27 und/oder Diagnose- und Fehlerdaten. Ein Regeln der Ansteuerfrequenzen an einem am Gehäuse 11 angeordneten Regelungselement, wie beispielsweise einem Schalter oder Stellrad, ist ebenfalls möglich.
  • Die Stromquelle 27 kann eine elektrochemische Einweg-Batterie oder ein wieder aufladbarer elektrochemischer Akku, z.B. ein Lilonen-Akku oder eine Li-Batterie, sein. Unter Nutzung eines Step-Up-Konverters lassen sich, ausgehend von beispielsweise einer Lithium-Batterie mit 2.7-4.1 V, variable, auf die Heizelemente 36 angepasste Spannungen bis zu beispielsweise 43 V, vorzugsweise 5-15 V, besonders bevorzugt 2.7-15 V, weiter besonders bevorzugt 3.6-6V, erzeugen. Die Stromquelle 27 dient zur elektrischen Versorgung sämtlicher aktiver elektrischen Komponenten in dem Inhalator 10.
  • Der Inhalator 10 ist vorzugsweise modular aufgebaut und gegliedert in mindestens eine Verbrauchseinheit und mindestens eine wiederverwendbare Einheit. Die Verdampfereinheit 20 kann eine auswechselbare Kartusche, oder Teil einer solchen Kartusche sein. Der Grundkörper des Inhalators 10 kann wiederverwendbar sein. Die elektronische Einheit 14 und/oder die Stromquelle 27 sind vorzugsweise über eine Schnittstelle mit der Verdampfereinheit 20 verbunden. Die Stromquelle 27 und/oder der Flüssigkeitsspeicher 12 können in einer Verbrauchseinheit angeordnet und für den Einweggebrauch bestimmt sein oder für den Mehrwegverbrauch in einer wiederverwendbaren Einheit in dem Gehäuse 11 angeordnet sein.
  • Die Verdampfereinheit 20 lässt sich in elektronischen Zigarettenprodukten sowie in medizinischen Inhalatoren verwenden. Neben der Verwendung in stabförmigen elektronischen Zigarettenprodukten kann die Verdampfereinheit 20 beispielsweise in elektronischen Pfeifen, Shishas oder anderen Produkten eingesetzt werden, in denen eine Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsspeicher 12 verdampft werden soll.
  • Figur 2 zeigt einen Schaltplan für eine bevorzugte Ausführungsform des Inhalators 10 mit beispielsweise drei Heizelementen 36. In anderen nicht gezeigten Ausführungsformen ist die Anzahl der Heizelemente 36 mehr oder weniger als drei.
  • Der Inhalator 10 umfasst eine Ansteuerungs- und Messeinrichtung 22, die vorteilhaft von der elektronischen Einheit 14 durch die Stromquelle 27 mit elektrischem Strom versorgt wird. Die Ansteuerungs- und Messeinrichtung 22 wird von der elektronischen Steuereinrichtung 21 gesteuert. Die Ansteuerungs- und Messeinrichtung 22 umfasst einen Operationsverstärker 23, eine Schalteinrichtung 24, mindestens einen Referenzwiderstand 25 und mindestens einen Transistor 26. Vorzugsweise ist für jedes Heizelement 36 ein in Serie dazu geschalteter Referenzwiderstand 25 (Shunt) und ein ebenfalls in Serie dazu geschalteter Transistor 26 vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die elektronische Einheit 14 den Operationsverstärker 23, die Schalteinrichtung 24, den oder die Referenzwiderstände 25 und/oder den oder die Transistoren 26.
  • Die elektronische Steuereinrichtung 21 ist dazu eingerichtet, einen Zug durch den Konsumenten mittels eines geeigneten Sensors, beispielsweise mittels eines Drucksensors, zu detektieren, und infolgedessen die Heizelemente 36 in der Verdampfereinheit 20 anzusteuern, um die Flüssigkeit auf eine geeignete Temperatur zu erwärmen.
  • Die elektronische Steuereinheit 21 ist mit den Transistoren 26 verbunden und kann diese unabhängig voneinander steuern, um die den Transistoren 26 entsprechenden Heizelementen 36 unabhängig voneinander zu steuern. Die elektronische Steuereinrichtung 21 ist mit der Schalteinrichtung 24 und dem Operationsverstärker 23 wie in Figur 2 gezeigt verbunden, um Widerstandsmessungen der Heizelemente 36 zu realisieren. Weitere Sensoren für die Messung von Temperaturen, Drücken, und anderen Größen zur Beschreibung des Betriebszustandes können in der Ansteuerungs- und Messeinrichtung 22 enthalten und mit der elektronischen Steuereinrichtung 21 gekoppelt sein.
  • Der Operationsverstärker 23 (current shunt monitor) ist mit der Steuereinheit 21, einer Erdung, einem Plus-Pol, den Referenzwiderstand 25 und der Schalteinrichtung 24 verbunden und dient beispielsweise der Messung des Spannungsabfalls zwischen einem der Referenzwiderstände 25 und der Spannungsquelle 27. Ein verstärktes Messresultat gibt der Operationsverstärker 23 an die Steuereinheit 21 weiter, wo die Datenverarbeitung geschieht, um den gemessenen Widerstand des entsprechenden Heizelements 36 zu ermitteln.
  • Die Schalteinrichtung 24 wird durch die Steuereinheit 21 gesteuert und legt vorzugsweise einen der Referenzwiderstände 25 als zu messenden Referenzwiderstand 25 fest. Vorzugsweise wird eine elektrische Verbindung mit der Schalteinrichtung 24 zwischen dem Heizelement 36 und dem dazugehörigen Referenzwiderstand 25 hergestellt. Vorzugsweise weist die Schalteinrichtung 24 für jeden zu messenden Referenzwiderstand 25 einen Schalter auf, um gezielte Messung zu ermöglichen.
  • Die Referenzwiderstände 25 (Shunts) sind vorzugsweise ohmsche Widerstände. Jedes Heizelement 36 verfügt über einen Referenzwiderstand 25 zur Strommessung.
  • Die Transistoren 26 sind vorzugsweise als Feldeffekttransistoren (FET) ausgeführt und dienen der Steuerung und Regelung der Heizelemente 36. Jedes Heizelement 36 kann über einen zugeordneten Transistor 26 angesteuert werden.
  • Durch den Einsatz einer geeigneten Schaltung lassen sich neben der Einzelansteuerung der Heizelemente 36 auch Kontrollmechanismen integrieren. Auf diesem Wege gelingt eine Überwachung und Kontrolle der Verdampfereinheit 20. Messungen können beim Einschalten, Ausschalten und/oder während eines Zuges, jedoch bei ausgeschalteter Heizspannung, geschehen, beispielsweise alle 10-1000 ms pro Kanal, vorzugsweise 20-500 ms, besonders bevorzugt 250-400 ms. Durch Multiplexing und Modulierung der Signale auf ein Trägersignal lässt sich die Datenmenge reduzieren.
  • Die gewonnenen Stromdaten der einzelnen Heizelemente 36 korrelieren mit ihrem Widerstand. Über das bekannte NTC- oder PTC-Verhalten korreliert der Widerstand eindeutig mit der Temperatur des jeweiligen Heizelements 36. Neben der Überwachung der Strukturen lassen sich Widerstands- und Temperaturinformation zur Steuerung und Regelung der Heizelemente 36 nutzen. Eine detaillierte Fehlerdetektion erlaubt die Erkennung von beispielsweise falscher, zu wenig oder zu viel Flüssigkeit oder eines defekten Heizelements 36; eine exakte Zustandsdetektion unter Berücksichtigung des während des Heizvorgangs bekannten thermodynamischen Zustands und der Zusammensetzung der Flüssigkeit ist möglich.
  • Zusätzlich können in dem Inhalator 10 andere Sensoren umfasst sein, vorzugsweise Thermometer, Feuchtigkeits- und/oder Drucksensoren, um den Betriebszustand des Verdampfers 20 und/oder der Heizelemente 36 genau zu charakterisieren.
  • Die Heizelemente 36 sind vorzugsweise als ohmsche Widerstände und als mikrosystemtechnische Einheit (z.B. MEMS) ausgeführt. Die Ausführung als mikrosystemtechnische Einheit ist wegen ihrer sehr feinen Strukturen im µm-Bereich und der damit verbundenen thermischen Eigenschaften besonders vorteilhaft. Die mikrosystemtechnischen Heizelemente 36 bestehen vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial, beispielsweise dotiertem Silizium. Dies ist inert und hat keine katalytische Wirkung und das Heizelement 36 lässt sich damit besonders klein, reproduzierbar und stabil herstellen. Über die Dotierung lässt sich ein temperaturveränderlicher Widerstand von beispielsweise 0.1-20 Ohm, vorzugsweise 0.5-1.5 Ohm, einstellen. Abhängig von der Dotierung kann ein temperaturabhängiges NTC- oder PTC-Verhalten des Widerstandes der Heizelemente 36 erreicht werden, d.h. der Widerstand sinkt beziehungsweise steigt bei steigender Temperatur.
  • Die Heizelemente 36 sind mit dem Flüssigkeitsspeicher 12 verbunden. Beispielsweise wird die Flüssigkeit kapillar in eine Porenstruktur der Heizelemente 36 gefördert. Werden die Heizelemente 36 auf eine Temperatur oberhalb einer Siedetemperatur eines Bestandteils der Flüssigkeit erhitzt, findet Verdampfung auf der Oberfläche der Heizelemente 36 statt. Die Struktur und Oberfläche der Heizelemente 36 kann beispielsweise auch an bionische Strukturen, beispielsweise Tracheen, angelehnt sein. Durch eine vernetzte Heizerstruktur der Heizelemente 36 kann eine Kapillarbarriere für Luft von der einen und Flüssigkeit von der anderen Seite gebildet werden. Die Heizerstrukturen sind entlang der Grenzfläche von Luft zu Flüssigkeit angeordnet und beim Erreichen einer Siedetemperatur kann die verdampfte Flüssigkeit durch die Heizerstruktur durchtreten und dem Luftstrom 17 zugeführt werden.
  • Die Heizelemente 36 weisen vorzugsweise je einen Schichtaufbau auf, wobei jeweils ein Heizelement 36 eine Fläche von vorzugsweise 0.25-6 mm2, besonders bevorzugt von 0.5-3 mm2, aufweist. Die Fläche aller Heizelemente 36 ist insgesamt vorzugsweise 0.2-1 cm2, besonders bevorzugt 0.3-0.8 cm2 groß, und eine bevorzugte Schichtdicke liegt im Bereich von 3-400 µm, um in Abhängigkeit der Heizfläche ein optimales Verhältnis zum zu verdampfenden Flüssigkeitsvolumen zu erreichen. Die Poren der Heizerstruktur haben beispielsweise einen Durchmesser zwischen 10-100 µm, vorzugsweise zwischen 15-50 µm.
  • Die Ausführung der Heizelemente 36 als mikrosystemtechnische Einheit bietet die Möglichkeit die Dampfmenge bei gleicher anliegender mittlerer (Verdampfungs-)Leistung durch Ändern der Ansteuerfrequenz zu beeinflussen. Dies ermöglicht eine besonders effiziente und energiesparende Dampferzeugung durch die Heizelemente 36. Wird das Heizelement 36 mit einer bestimmten Frequenz angesteuert, d.h. beheizt, steigt der Anteil der in die Verdampfung gebrachten Heizleistung bei gleicher mittlerer Heizleistung mit zunehmender Frequenz bis zu einem Optimum an. Somit sind bei höheren Frequenzen größere Dampfmengen zu erwarten, da sich die resultierende Verdampfungsleistung erhöht. Die Optimierung des Energieeintrags führt nebenbei zu einem reduzierten Stromverbrauch.
  • Neben der frequenzabhängigen Beeinflussung der Dampfmenge ist des Weiteren eine Änderung der Aerosolqualität mit der Ansteuerfrequenz der Heizelemente 36 zu beobachten. Mit zunehmender Ansteuerfrequenz lässt sich eine feinere Tröpfchengrößenverteilung feststellen, d.h. die Verteilung der Tröpfchengröße verschiebt sich zugunsten einer kleineren Tröpfchengröße. Dies ist in einem, mit zunehmender Frequenz verbesserten Eintrag der Wärme in das zu verdampfende Liquid begründet. Es wird geeignet gepulst oder eine ausreichende Frequenz gewählt, dass die Wärme des Heizelements 36 in die Flüssigkeit gehen kann und ohne, dass Verluste durch zu schnellen Energieeintrag bei zu hoher Frequenz (kurzer Pulsdauer) oder durch ein zu starkes Abkühlen bei zu niedriger Frequenz (lange Pulsdauer) entstehen. Besonders vorteilhaft ist diese Beeinflussung des Dampfes, wenn die Heizelemente 36 als mikrosystemtechnische Einheit ausgeführt sind und in der Lage sind, den schnellen Wechseln des Energieeintrags mit ihrer Heizflächentemperatur zu folgen, d.h. nur eine geringe thermische Trägheit aufweisen. Im Gegensatz zu einer Wendel- oder Gitterstruktur weisen die Heizelemente 36 eine wesentlich höhere Grenzfrequenz auf.
  • Figur 3 zeigt einen Schaltplan für eine bevorzugte Ausführungsform des Inhalators 10 mit beispielsweise einem Heizelement 36.
  • Der Inhalator 10 umfasst eine Ansteuerungs- und Messeinrichtung 22, die vorteilhaft von der elektronischen Einheit 14 umfasst ist und durch die Stromquelle 27 mit elektrischem Strom versorgt wird. Die Ansteuerungs- und Messeinrichtung 22 wird von der elektronischen Steuereinrichtung 21 gesteuert. Die Ansteuerungs- und Messeinrichtung 22 umfasst einen Operationsverstärker 23, eine Schalteinrichtung 24, einen Referenzwiderstand 25 und einen Transistor 26. Vorzugsweise ist für das Heizelement 36 ein in Serie dazu geschalteter Referenzwiderstand 25 und ein ebenfalls in Serie dazu geschalteter Transistor 26 vorgesehen. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann die Schalteinrichtung 24 bei der Verwendung von nur einem Heizelement 36 ausgespart sein, um einen einfacheren und kostengünstigeren Aufbau zu ermöglichen.
  • In dieser Ausführungsform mit nur einem Heizelement 36 kann das Heizelement 36 mit verschiedenen und änderbaren Ansteuerfrequenzen beaufschlagt werden. Sowohl eine Superposition verschiedener Ansteuersignale als auch eine zeitliche Änderung und/oder Modulation sind denkbar, um eine gewünschte Tröpfchengrößenverteilung zu erzielen.
  • Figur 4 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Heizspannung UH, die an dem Heizelement 36 anliegt. Das Heizelement 36 wird in dieser Ausführungsform abhängig von der Zeit t mit Pulsen 32 beheizt. Eine Periode 33 gliedert sich in eine Verdampfungsphase 30 und eine Folgephase 31. In den Verdampfungsphasen 30 liegt eine Heizspannung UH an dem Heizelement 36 an und ermöglicht Verdampfung der auf und/oder am Heizelement 36 befindlichen Flüssigkeit. Während der Folgephase 31 liegt vorzugsweise keine Heizspannung am Heizelement 36 an. Während einer Periode 33 findet eine Verdampfungsphase 30 statt, deren Länge über den Tastgrad definiert ist. Beispielsweise können während einer Periodendauer 33 und/oder einem kürzeren Bruchteil einer Periodendauer 33 verschiedene Heizelemente 36 sequentiell gemessen werden. Bei einer geeigneten Periodendauer 33 können auch mehrere Messungen, Regelungen, Steuerungen und/oder Kontrollen an verschiedenen Heizelementen 36 vorgenommen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird in regelmäßigen Abständen, um die Steuerung, Regelung, Kontrolle und/oder Datenverarbeitung zu vereinfachen, gemessen.
  • Die Heizleistung in Form anderer Wechselströme, periodischer und aperiodischer Verläufe ist denkbar. Von Vorteil ist die Überlagerung von periodischen Signalen mit verschiedenen Frequenzen beziehungsweise Perioden 33, welche die Erzeugung unterschiedlich großer Tröpfchen ermöglicht. Die Periode 33 ändert sich in einer bevorzugten Ausführungsform über die Dauer des Betriebs und/oder ist bevorzugt einstellbar. Jedes Heizelement 36 kann gleichartig oder verschieden beheizt werden.
  • Figur 5 zeigt ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Ansteuerfrequenz f, die an dem Heizelement 36 anliegt. Die Ansteuerfrequenz f steigt im Laufe der Zeit t über die Dauer 42. Die Dauer 42 kann beispielsweise durch die Entleerungsdauer des Flüssigkeitsspeichers 12 gegeben sein. Die gebrochene Zeitachse verdeutlicht, dass die Entleerungsdauer in diesem Beispiel nicht auf die dargestellte Anzahl von fünf Zügen 10 beschränkt sein soll. In diesem Beispiel ist die Ansteuerfrequenz f über einen Zug 40 konstant. Die Heizleistung an dem Heizelement 36 folgt beispielsweise während eines Zuges dem in Figur 4 dargestellten Verlauf. Die einzelnen Züge 40 werden durch Pausen 41 unterbrochen, in denen Messung, Steuerung, Regelung und/oder Kontrolle des Betriebszustandes stattfinden kann. Von Zug 40 zu Zug 40 steigt im Laufe der Zeit t die Ansteuerfrequenz f an und ermöglicht im Laufe der Zeit t die Erzeugung immer kleinerer Tröpfchen, um beispielsweise das Raucherlebnis und die Nikotinverabreichung zu homogenisieren. Je nach Anwendungszweck sind andere zeitliche Verläufe der Frequenz denkbar.

Claims (16)

  1. Verdampfereinheit (20) für einen Inhalator (10) mit einer elektronischen Steuereinrichtung (21) und mindestens einem Heizelement (36), wobei die Verdampfereinheit (20) zum Verdampfen von aus einem Flüssigkeitsspeicher (12) zugeführter Flüssigkeit eingerichtet ist, und die verdampfte Flüssigkeit von einem durch die Verdampfereinheit (20) strömenden Luftstrom aufgenommen wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die elektronische Steuereinrichtung (21) dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Heizelement (36) mit variabler Steuerfrequenz zu beheizen.
  2. Verdampfereinheit (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (21) dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Heizelement (36) mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Steuerfrequenzen zu beheizen.
  3. Verdampfereinheit (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinheit (20) eine Mehrzahl von Heizelementen (36) aufweist und die elektronische Steuereinrichtung (21) dazu eingerichtet ist, verschiedene Heizelemente (36) mit verschiedenen Steuerfrequenzen zu beheizen.
  4. Verdampfereinheit (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (21) dazu eingerichtet ist, die Ansteuerfrequenz der Mehrzahl von Heizelementen (36) so anzusteuern, dass sich eine multimodale Tröpfchengrößenverteilung der verdampften Flüssigkeit ergibt.
  5. Verdampfereinheit (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (21) dazu eingerichtet ist, die Ansteuerfrequenz des mindestens einen Heizelements (36) über die Entleerungsdauer des Flüssigkeitsspeichers (12) zu ändern.
  6. Verdampfereinheit (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (21) dazu eingerichtet ist, die Ansteuerfrequenz des mindestens einen Heizelements (36) bei fortschreitender Entleerung des Flüssigkeitsspeichers (12) zu erhöhen.
  7. Verdampfereinheit (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (21) dazu eingerichtet ist, die Ansteuerfrequenz des mindestens einen Heizelements (36) über die Dauer eines Zuges zu verändern.
  8. Verdampfereinheit (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (21) dazu eingerichtet ist, die Ansteuerfrequenz des mindestens einen Heizelements (36) so einzustellen, dass sich eine gewünschte Tröpfchengröße der verdampften Flüssigkeit von beispielsweise ≤ 5 µm ergibt.
  9. Verdampfereinheit (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (21) dazu eingerichtet ist, eine Ansteuerfrequenz des mindestens einen Heizelements (36) von mindestens 10 Hz und vorzugsweise höchsten 20 kHz einzustellen.
  10. Verdampfereinheit (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuerungs- und Messeinrichtung (22) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, den Widerstand des mindestens einen Heizelements (36) zu messen.
  11. Verdampfereinheit (20) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungs- und Messeinrichtung (22) mindestens einen mit dem mindestens einen Heizelement (36) in Serie geschalteten Referenzwiderstand (25) aufweist.
  12. Verdampfereinheit (20) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungs- und Messeinrichtung (22) mindestens einen Operationsverstärker (23) aufweist.
  13. Verdampfereinheit (20) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungs- und Messeinrichtung (22) mindestens eine Schalteinrichtung (24) aufweist.
  14. Verdampfereinheit (20) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage der Messwerte der Ansteuerungs- und Messeinrichtung (22) eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen durchgeführt werden:
    - Zustandskontrolle, Überwachung und/oder Fehlerdetektion der Verdampfereinheit (20);
    - Steuerung oder Regelung der Verdampfereinheit (20);
    - Ermittlung der Temperatur des mindestens einen Heizelements.
  15. Verdampfereinheit (20) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Heizelement (36) als mikrosystemtechnische Einheit ausgeführt ist.
  16. Verfahren zum Steuern einer Verdampfereinheit (20) für einen Inhalator (10) mit einer elektronischen Steuereinrichtung (21) und mindestens einem Heizelement (36), wobei die Verdampfereinheit (20) zum Verdampfen von aus einem Flüssigkeitsspeicher (12) zugeführter Flüssigkeit eingerichtet ist, und die verdampfte Flüssigkeit von einem durch die Verdampfereinheit (20) strömenden Luftstrom aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    die elektronische Steuereinrichtung (21) das mindestens eine Heizelement (36) mit variabler Steuerfrequenz beheizt.
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