DE102016002665A1

DE102016002665A1 - Elektronisches Zigarettenprodukt und Kartusche für ein elektronisches Zigarettenprodukt

Info

Publication number: DE102016002665A1
Application number: DE102016002665.0A
Authority: DE
Inventors: Rene Schmidt; Marc Kessler; Jürgen Dick
Original assignee: Hauni Maschinenbau GmbH
Current assignee: Koerber Technologies GmbH
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2017-09-14
Also published as: WO2017153270A1; CN108697180B; JP2019513012A; US11134716B2; EP3426070B1; JP6981989B2; KR102456689B1; EP3426070A1; CN108697180A; KR20180118119A; US20200205478A1

Abstract

Ein elektronisches Zigarettenprodukt umfasst ein Gehäuse mit einem Mundende (32), mindestens einer Lufteinlassöffnung (31) und einem in dem Gehäuse (11) zwischen der mindestens einen Lufteinlassöffnung (31) und dem Mundende (32) verlaufenden Luftkanal (30), einen Flüssigkeitstank (18), einen elektrischen Energiespeicher (14) und eine mit dem Flüssigkeitstank (18) verbundene Zugabevorrichtung (20) zur Erzeugung von Dampf und/oder Aerosol von aus dem Flüssigkeitstank (18) entnommener Flüssigkeit (50) und Zugabe des Dampfs und/oder Aerosols zu einem in dem Luftkanal (30) strömenden Luftstrom (34). Die Zugabevorrichtung (20) ist mindestens teilweise eine mikrosystemtechnische Einheit enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Zigarettenprodukt, umfassend ein Gehäuse mit einem Mundende, mindestens einer Lufteinlassöffnung und einem in dem Gehäuse zwischen der mindestens einen Lufteinlassöffnung und dem Mundende verlaufenden Luftkanal, einen Flüssigkeitstank, einen elektrischen Energiespeicher und eine mit dem Flüssigkeitstank verbundene Zugabevorrichtung zur Erzeugung von Dampf und/oder Aerosol von aus dem Flüssigkeitstank entnommener Flüssigkeit und Zugabe des Dampfs und/oder Aerosols zu einem in dem Luftkanal strömenden Luftstrom.
Der überwiegende Teil der aktuell am Markt befindlichen elektronischen Zigarettenprodukte basiert auf dem sogenannten Dochtwendelprinzip. Ein Docht, z. B. aus Glasfaser, ist partiell mit einer Heizwendel umwickelt und steht mit einem Flüssigkeitsspeicher in Kontakt. Bei Erwärmung der Heizwendel verdampft die in dem Docht befindliche Flüssigkeit im Bereich der Heizwendel. Aufgrund der Kapillarwirkung wird die verdampfte Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsspeicher nachgefördert. Eine solche elektronische Zigarette ist beispielhaft in der US 2016/0021930 A1 beschrieben.
Die Förderung der Flüssigkeit und die Dampfmenge sind dabei über den Docht untrennbar miteinander gekoppelt. Die Verdampfungsleistung bestimmt die Dampfmenge; von Rauchern wird jedoch häufig eine hohe Dampfmenge zur Erzielung eines nachhaltigen Raucherlebnisses gewünscht. Infolge der dafür erforderlichen hohen, im Wesentlichen systembedingten inhomogenen Temperatur-Flüssigkeits-Verteilung kommt es zu einer möglichen partiellen Überhitzungsgefahr und somit zu unerwünschter Schadstoffemission. Ein weiterer Nachteil bekannter elektronischer Zigaretten ist die Leckageanfälligkeit bei Luftdruckschwankungen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein sicheres, hochqualitatives und zertifizierbares elektronisches Zigarettenprodukt und eine Kartusche bereitzustellen, bei denen die geschilderten Nachteile der potenziellen Überhitzungsgefahr und der damit verbundenen Schadstoffemission vermieden werden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Ausführung mindestens wesentlicher Teile der Zugabevorrichtung als mikrosystemtechnische Einheit ermöglicht erfindungsgemäß die vollständige Entkopplung der Flüssigkeitsförderung bzw. -dosierung von deren Erwärmung zwecks Verdampfung. Flüssigkeit wird per Mikrodosierung, vorteilhaft mittels eines Freistrahlzerstäubers nach dem Inkjet- oder Bubblejet-Prinzip, in eine Kammer im Inneren der Zugabevorrichtung gefördert bzw. eingespritzt. Beabstandet und funktionell getrennt davon kann vorteilhaft ein exakt temperierbares Heizelement als Teil eines Verdampfers vorgesehen sein. Die Temperatur des Heizelements kann dabei vollkommen unabhängig von dem Volumenstrom der Flüssigkeit eingestellt oder geregelt werden. Bei fest eingestellter Temperatur kann die geförderte Flüssigkeitsmenge und somit die Menge an Dampf/Aerosol wie gewünscht eingestellt werden. Durch exakte Temperatursteuerung/-regelung des Verdampfer-Heizelements können Überhitzung und dadurch entstehende Schadstoffe, beispielsweise Acrylverbindungen, vollständig vermieden werden.
Die erfindungsgemäß verwendete Mikrosystem-Technologie ermöglicht dabei die mikrometergenaue und exakt reproduzierbare Fertigung unterschiedlicher elektromechanischer Funktionsgruppen einschließlich Sensorik und Aktuatoren auf einem Substrat, beispielsweise aus einem Polymer, Glas, Keramik, Metall, Halbmetall, z. B. Silizium, Siliziumverbindungen oder Metalloxidverbindungen, in einem einheitlichen Herstellungsvorgang. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß die für eine Massenfertigung und Zertifizierbarkeit erforderliche Produktqualität sichergestellt werden. Vorteilhaft ist mindestens der Zerstäuber, weiter vorteilhaft auch der Verdampfer der Zugabevorrichtung als mikrosystemtechnische Einheit ausgebildet. Insbesondere der Verdampfer kann jedoch alternativ aus kostengünstigeren Materialien hergestellt sein.
Vorzugsweise sind der Flüssigkeitstank und die Zugabevorrichtung in einer auswechselbaren Kartusche angeordnet. Wenn der Flüssigkeitstank geleert ist, muss somit nicht das gesamte Zigarettenprodukt entsorgt werden, sondern es muss nur die leere Kartusche gegen eine gefüllte ausgewechselt werden. Ein erheblicher Teil des Zigarettenprodukts einschließlich des Energiespeichers kann somit wiederverwendet werden. Die Zugabevorrichtung als Teil der Kartusche hat den erheblichen Vorteil, dass hierdurch eine definierte Schnittstelle geschaffen wird, die eine leckagefreie Auswechselung der Kartusche ohne aufwändige Dichtmaßnahmen ermöglicht, da die Mikrostruktur der mikrosystemtechnischen Einheit leichter abgedichtet werden kann oder sogar aufgrund der Oberflächenspannung selbstdichtend ist.
Die Kartusche kann vorteilhaft einen Daten- bzw. Informationsspeicher zum Speichern von die Kartusche betreffender Information und/oder Parametern umfassen.
Vorzugsweise ist das Verhältnis der größten Erstreckung der mikrosystemtechnischen Einheit zum mittleren Durchmesser des im Wesentlichen stabförmigen Gehäuses im Bereich der Zugabevorrichtung kleiner als 0,5 und weiter vorzugsweise kleiner als 0,4 und noch weiter vorzugsweise kleiner als 0,3 und besonders vorteilhaft kleiner als 0,2. Eine kompakte Bauweise der mikrosystemtechnischen Einheit vergrößert die Flexibilität hinsichtlich möglicher Anordnungen der mikrosystemtechnischen Einheit in dem Zigarettenprodukt bzw. in der Kartusche.
Der Zerstäuber ist vorzugsweise ein Freistrahl-Zerstäuber mit einem Thermo- oder Piezo-Aktuator und einer nachgeordneten Düse. In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung kann der Zerstäuber ein elektrisches Vorheizelement und eine Vorwärmkammer zum Vorwärmen der aus dem Flüssigkeitstank in die Zugabevorrichtung eintretenden Flüssigkeit aufweisen. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn ein metallisches, die Flüssigkeit kontaktierendes Teil des Zerstäubers auf eine elektrische Gleichspannung gelegt ist, um eine Ionisierung der zerstäubten Flüssigkeit zu bewirken.
Vorzugsweise ist die Heizleistung des Verdampfer-Heizelements auf eine definierte Solltemperatur steuer- und/oder regelbar. In vorteilhaften Ausführungsformen kann der Verdampfer ein mit dem elektrischen Heizelement gekoppeltes Piezoelement umfassen. Das aufgrund der Piezo-Anregung vibrierende Heizelement kann zu einer Verbesserung der Verdampfungswirkung und/oder Erzielung von Selbstreinigungseffekten, d. h. Vermeidung von Anbrennen oder Anhaftungen, führen.
In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung können unterschiedliche Flüssigkeiten aus einer Mehrzahl von Flüssigkeitstanks mit einer Mehrzahl von Zerstäubern zerstäubt werden, wobei den Zerstäubern vorzugsweise eine entsprechende Mehrzahl von Verdampfern und Heizelementen zugeordnet sind. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Wirkstoff gezielt zu einer Grundflüssigkeit zudosiert werden. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die Heizleistung der Heizelemente individuell auf definierte Solltemperaturen steuer- und/oder regelbar ist, da dies eine Anpassung und optimale Wahl der jeweiligen Heiztemperatur für jede Flüssigkeit ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist der Flüssigkeitstank ein flexibler Beutel. Hierdurch wird mit einfachen Mitteln erreicht, dass der Flüssigkeitstank lageunabhängig und leckagefrei vollständig entleerbar ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Flüssigkeitsspeicher in Form einer Liquid-on-Chip-Vorrichtung vorgesehen. Bei dieser ebenfalls mikrosystemtechnisch-basierten Technologie besteht die Möglichkeit, kleine Mengen Flüssigkeit direkt auf einem Chip zu speichern, vergleichbar mit einem Tropfen, der in einer Art Blister eingeschlossen ist und durch gezielte Aktivierung freigesetzt werden kann. Beispielsweise könnte ein Freistrahl-Zerstäuber zum Zerstäuben einer Grundflüssigkeit vorgesehen sein und die eigentliche Zudosierung von Aromen und/oder Wirkstoffen über eine Liquid-on-Chip-Vorrichtung erfolgen.
In praktischen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Mehrzahl von Zerstäubern insbesondere in Matrix- oder Arrayform in der Zugabevorrichtung angeordnet sein. Der Mehrzahl von Zerstäubern kann eine entsprechende Mehrzahl von Verdampfern, beispielsweise ebenfalls in Matrixform, zugeordnet sein. Für die Erzeugung größerer Dampfmengen können eine Mehrzahl von Zugabevorrichtungen bzw. mikrosystemtechnische Einheiten in dem Zigarettenprodukt angeordnet sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
Dabei zeigt
1 eine Querschnittsansicht eines elektronischen Zigarettenprodukts in einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht einer Kartusche für ein elektronisches Zigarettenprodukt;
3–9 Querschnittsansichten von mindestens teilweise mikrosystemtechnisch-basierten Zugabevorrichtungen für ein elektronisches Zigarettenprodukt in unterschiedlichen Ausführungsformen;
10–12 Querschnittsansichten eines elektronischen Zigarettenprodukts in weiteren Ausführungsformen der Erfindung;
13 Zeitdiagramme zur Erläuterung einer vorteilhaft gepulsten Verdampfer-Temperaturregelung; und
14 ein Funktionsschaltbild eines erfindungsgemäßen Zigarettenprodukts.
Das elektronische Zigarettenprodukt 10 umfasst ein im Wesentlichen stabförmiges oder zylindrisches Gehäuse 11, das im Querschnitt rund, oval, elliptisch, quadratisch, rechteckig, vieleckig oder anders geformt sein kann. In dem Gehäuse 11 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 11 angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens eine Lufteinlassöffnung 31A am entfernten Ende 33 des Zigarettenprodukts 10 angeordnet sein. Das entfernte Ende 33 des Zigarettenprodukts 10 bezeichnet das dem Mundende 32 entgegengesetzte Ende des Zigarettenprodukts 10.
Die Luftzuführung durch die Lufteinlassöffnung(en) 31, 31A kann einstellbar sein, insbesondere durch veränderbaren Strömungswiderstand, beispielsweise mittels verstellbarer Luftschlitze oder einem drehbaren Ring mit Regulierungsöffnung. Des Weiteren kann ein (Fein-)Filter an der oder den Lufteinlassöffnung(en) 31, 31A zum Reinigen der angesaugten Luft vorgesehen sein. Auch eine Ionisierungseinrichtung zum Ionisieren der angesaugten Luft ist möglich, was eine bessere Tröpfchenaufnahme und eine bessere biologische Verträglichkeit bewirken kann. Schließlich ist eine Einrichtung zum Vorwärmen bzw. Vortemperieren der angesaugten Luft denkbar.
Das Zigarettenprodukt 10 ist vorzugsweise so gestaltet, dass der Zugwiderstand an dem Mundende 32 vorzugsweise im Bereich zwischen 50 und 130 mm Wassersäule, weiter vorzugsweise zwischen 80 und 120 mm Wassersäule, noch weiter vorzugsweise zwischen 90 und 110 mm Wassersäule und optimalerweise zwischen 95 und 105 mm Wassersäule liegt. Der Zugwiderstand bezieht sich dabei auf den Druck, der benötigt wird, um Luft durch die volle Länge des Zigarettenprodukts 10 mit einer Rate von 17.5 ml/s bei 22°C und 101 kPa (760 Torr) zu ziehen, und der in Übereinstimmung mit ISO 6565:2011 gemessen wird.
Das Zigarettenprodukt 10 umfasst einen ersten (Axial-)Abschnitt 13, vorteilhaft am entfernten Ende 33 des Zigarettenprodukts 10, in dem eine elektronische Energieversorgungseinheit 12 mit einem elektrischen Energiespeicher 14 und einer elektrischen/elektronischen Einheit 15 angeordnet ist. Der Energiespeicher 14 erstreckt sich vorteilhaft in axialer Richtung des Zigarettenprodukts 10. Die elektrische/elektronische Einheit 15 ist vorteilhaft seitlich neben dem Energiespeicher 14 angeordnet. Der Energiespeicher 14 kann eine elektrochemische Einweg-Batterie, ein wiederaufladbarer elektrochemischer Akku, z. B. ein Li-Ionen-Akku, oder eine Brennstoffzelle sein.
Das Zigarettenprodukt 10 umfasst des Weiteren einen zweiten (Axial-)Abschnitt 16, vorteilhaft am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10, in dem eine Verbrauchseinheit 17 mit einem Flüssigkeitstank 18, einer elektrischen Einheit 19 und einer Zugabevorrichtung 20 angeordnet ist. Der Flüssigkeitstank 18 erstreckt sich vorteilhaft in axialer Richtung des Zigarettenprodukts 10.
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 Einheiten des Zigarettenprodukts 10 wird im Folgenden als Steueranordnung 29 bezeichnet.
In dem Gehäuse 11 ist vorteilhaft ein Sensor, beispielsweise ein Drucksensor oder ein Druckschalter, angeordnet, wobei die Steueranordnung auf der Grundlage eines von dem Sensor ausgegebenen Sensorsignals einen Betriebszustand des Zigarettenprodukts 10 feststellen kann, in dem ein Konsument am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 zieht, um zu inhalieren. In diesem Betriebszustand steuert die Steueranordnung 29 die Zugabevorrichtung 20 an, um Flüssigkeit 50 aus dem Flüssigkeitstank 18 als Zugabe 40 in Form kleiner Flüssigkeitstropfen als Nebel/Aerosol und/oder gasförmig als Dampf in den Luftstrom 34 zuzugeben. Die in dem Flüssigkeitstank 18 gespeicherte, zu dosierende Flüssigkeit ist beispielsweise eine Mischung aus 1,2-Propylenglykol, Glycerin und Wasser, der ein oder mehrere Aromen und/oder Wirkstoffe, wie beispielsweise Nikotin, zugemischt sein können.
Der den Flüssigkeitstank 18 enthaltende Abschnitt 16 oder die Verbrauchseinheit 17 ist vorteilhaft als vom Konsumenten auswechselbare Kartusche 21, d. h. als Einwegteil ausgeführt. Der Rest des Zigarettenprodukts 10, insbesondere der den Energiespeicher 14 enthaltende Abschnitt 13 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 11 des Zigarettenprodukts 10 bilden.
In anderen Ausführungsformen, siehe 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 11 des Zigarettenprodukts 10 separates Gehäuse.
Die Kartusche 21 umfasst mindestens den Flüssigkeitstank 18 und die Zugabevorrichtung 20. Die Kartusche 21 kann, wie in 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. Die Kartusche 21 kann neben der Verwendung in stabförmigen Zigarettenprodukten 10 auch in anderen Produkten eingesetzt werden, beispielsweise in einer elektronischen Pfeife. Der Energiespeicher 14 ist in der Regel nicht Teil der Kartusche 21, sondern Teil des wiederverwendbaren Grundteils 56.
Der Flüssigkeitstank 18 ist zur Vermeidung von Leckage vorzugsweise flüssigkeitsdicht geschlossen und behält diese Eigenschaft unter sämtlichen auftretenden Umgebungsbedingungen, d. h. über einen weiten Temperatur- und Umgebungsdruckbereich. Vorteilhaft wird somit der Zutritt von Umgebungsluft in den Flüssigkeitstank 18 vermieden, so dass aus dem Flüssigkeitstank 18 ausschließlich Flüssigkeit entnommen wird. Des Weiteren soll der Flüssigkeitstank 18 lageunabhängig möglichst vollständig entleerbar sein. Vorzugsweise ist der Flüssigkeitstank 18 zertifiziert befüllt und nicht nachfüllbar ausgebildet, um Missbrauch und Manipulation sicher zu verhindern.
Der Flüssigkeitstank 18 kann zur Realisierung der zuvor genannten Anforderungen eine vorteilhaft viskositätsabhängige Kapillarstruktur aufweisen und/oder zur Erzeugung einer Mikro-Fluidik eingerichtet sein. Eine Entleerung über einen beispielsweise elektrisch, etwa mittels Spindelantrieb, angetriebenen Verdränger, vorzugsweise unter Verwendung eines Kolbens in einem zylinderförmigen Tank, ist möglich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Flüssigkeitstank 18 ein flexibler Beutel. Hierdurch wird mit einfachen Mitteln erreicht, dass der Flüssigkeitstank 18 lageunabhängig und leckagefrei vollständig entleerbar ist.
Der Flüssigkeitstank 18 kann einen Behälter, eine Halterung oder eine Strukturkomponente umfassen, in die die oben genannte Kapillarstruktur und/oder der Beutel eingelegt ist. Ein typisches Tankvolumen des Flüssigkeitstanks 18 liegt im Bereich zwischen 0,5 ml und 2 ml. Das Zigarettenprodukt 10 kann vorteilhaft eine Füllstandskontrolle für den Flüssigkeitstank 18 umfassen, die beispielsweise an die Zugzahl gekoppelt sein kann. Der Flüssigkeitstank 18 ist vorzugsweise aus einem inerten und/oder lebensmittelverträglichen bzw. pharmatauglichen Material, insbesondere einem Kunststoff, gefertigt, wobei das Material optisch transparent oder undurchsichtig sein kann.
Der Flüssigkeitstank 18 kann an die Zugabevorrichtung 20 mechanisch gekoppelt oder von dieser entkoppelt sein. Im Falle einer mechanischen Kopplung dient die Zugabevorrichtung 20 vorteilhaft als Deckel oder Auslaufschutz für den Flüssigkeitstank 18. Im Falle einer Entkopplung ist insbesondere eine Flüssigkeitsleitung, d. h. eine kapillare Verbindung zwischen dem Flüssigkeitstank 18 und der Zugabevorrichtung 20 vorgesehen. Sofern der Flüssigkeitstank 18 von der Zugabevorrichtung 20 trennbar ausgeführt ist, muss dies leckagefrei möglich sein, d. h. der Flüssigkeitstank 18 weist einen Verschließmechanismus auf, der infolge der Trennung des Flüssigkeitstanks 18 von der Zugabevorrichtung 20 automatisch eine Abgabeöffnung des Flüssigkeitstanks 18 flüssigkeitsdicht verschließt, etwa mittels eine federbelasteten Kugel, einem Rückschlagventil oder dergleichen.
Das Verhältnis der größten Erstreckung a der mikrosystemtechnischen Einheit 45 (siehe 3) zum mittleren Durchmesser D des im Wesentlichen stabförmigen Gehäuses 11 im Bereich der Zugabevorrichtung 20 (siehe 12) ist vorteilhaft kleiner als 0,5.
Eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zugabevorrichtung 20 ist in 3 gezeigt. Die Zugabevorrichtung 20 umfasst ein Zerstäuberbauteil 22 mit einem Zerstäuber 48 und ein Verdampferbauteil 23 mit einem Verdampfer 49, die in Bezug zu einer Kammer 24 im Inneren der Zugabevorrichtung 20 angeordnet sind.
Der Zerstäuber 48 ist vorzugsweise ein Freistrahl-Zerstäuber nach dem Inkjet- oder Bubblejet-Prinzip, mit einem in einem Flüssigkeitskanal 27 angeordneten Aktuator 25 und nachfolgend angeordneten Düse 26, die in die Kammer 24 mündet. Der mit einer geeigneten Ansteuerfrequenz typischerweise im kHz-Bereich elektrisch angesteuerte Aktuator 25 kann ein piezoelektrisches Element oder ein Heizelement sein. Bei Feststellung eines durch Ziehen des Konsumenten versursachten Luftstroms 34 durch den Luftkanal 30 steuert die Steueranordnung 29 den Aktuator 25 an, wobei durch plötzliche Erhitzung (im Falle eines Heizelements) oder durch Erschütterung (im Falle eines Piezo-Elements) die in dem Flüssigkeitskanal 27 befindliche Flüssigkeit in Form von kleinen Tröpfchen aus der Düse 26 in die Kammer 24 geschleudert wird.
Alternativ zu einem Freistrahl-Zerstäuber nach dem Inkjet- oder Bubblejet-Prinzip können andere Zerstäubertypen eingesetzt werden, beispielsweise Druckdifferenz-getrieben, entweder aus dem Luftstrom 30 selbst oder mittels Vordruck auf oder in dem Flüssigkeitstank 18 oder Ultraschallzerstäuber.
Der Zerstäuber 48 dient in der Ausführung als Freistrahl-Zerstäuber nach dem Inkjet- oder Bubblejet-Prinzip zugleich zur Förderung der Flüssigkeit 50 aus dem Flüssigkeitstank 18 durch den Flüssigkeitskanal 27 sowie der Dosierung der Flüssigkeit in die Kammer 24. Der Zerstäuber 48 kann daher auch als Freistrahl-Dosierer bezeichnet werden. Zusätzlich und/oder alternativ können zur Förderung und/oder Dosierung der Flüssigkeit auch Mikropumpen und -ventile, eine Förderung mit integrierter Flüssigkeits-(Vor-)temperierung, die weiter unten noch illustriert wird, und/oder Druckdifferenz-getrieben, entweder aus dem Luftstrom 30 selbst oder mittels Vordruck auf oder in dem Flüssigkeitstank 18.
Der Zerstäuber/Dosierer 48 ist so eingestellt, dass eine vorteilhafte Flüssigkeitsmenge im Bereich zwischen 1 μl bis 10 μl, typischerweise 4 μl pro Zug des Konsumenten, zudosiert wird. Vorzugsweise ist der Zerstäuber/Dosierer 48 so ausgelegt, dass eine (Dosierungs-)Reserve vorhanden ist. Vorzugsweise kann der Zerstäuber/Dosierer 48 hinsichtlich der Flüssigkeitsmenge pro Zug einstellbar sein.
Zusätzlich oder alternativ zu dem Freistrahl-Dosierer 48 können andere Mittel zum Zuführen der Flüssigkeit 50 von dem Flüssigkeitstank 18 zu dem Zerstäuber 48 verwendet werden, beispielsweise in Form von mindestens einer Pumpe, beispielsweise Membranpumpe, Peristaltikpumpe, Verdrängerpumpe, zum Beispiel mit Spindelantrieb, Zahnradpumpe. Alternativ könnte der Unterdruck in dem vom Konsumenten erzeugten Luftstrom 30 zur Förderung der Flüssigkeit 50 verwendet werden, beispielsweise über ein Verbindungsrohr.
Die Steueranordnung 29 kann vorteilhaft zur Einstellung unterschiedlicher Konsumprofile eingerichtet sein. Insbesondere kann vorteilhaft die Dampf-Dosierungsrate in gewissen Bereichen für den Konsumenten einstellbar sein. Beispielsweise könnten drei Dampf-Leistungsstufen mit viel, mittel und wenig Dampf wählbar sein, entsprechend beispielsweise 400, 500 und 600 Zügen pro 2 ml-Kartusche 21. Realisiert werden kann dies beispielsweise über die Frequenz der Ansteuerung des Zerstäubers 48. Die Dimensionierung des Heizelements 36 ist in solchen Ausführungsformen auf die größte wählbare Dampfleistung ausgelegt.
Alternativ zu einem separaten Flüssigkeitstank 18 kann eine einheitliche Speicher-/Zerstäubereinheit in Form eines sogenannten Liquid-on-Chip-Systems eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um eine Vielzahl einzelner Flüssigkeitsreservoire, die auf einer Platine integriert angeordnet sind und einzeln elektrisch angesteuert bzw. „geschossen” werden können, um die darin gespeichert Flüssigkeit freizusetzen. Typische Blistergrößen liegen im Bereich zwischen 150 μl und 5 ml. Ein Liquid-on-Chip-System kann auch zum Zudosieren von Wirkstoff parallel zu einem Flüssigkeitstank zum Zugeben von Basisflüssigkeit vorgesehen sein.
Vorzugsweise können metallische, die Flüssigkeit kontaktierende Teile des Zerstäubers 22, beispielsweise das Heizelement 25 und/oder die Düse 26, auf eine elektrische Gleichspannung gelegt sein, um eine Ionisierung der zerstäubten Flüssigkeit zu bewirken. Dadurch können feinere Tropfen, eine bessere räumliche Verteilung der zerstäubten Flüssigkeit und/oder eine Anziehungskraft der Tropfen in Richtung zu einem Heizelement 36 des Verdampfers 23 (siehe unten) vorteilhaft erzielt werden. Dies kann insbesondere für pharmazeutische Anwendungen vorteilhaft sein.
Der Verdampfer 49 weist ein Heizelement 36 auf, das bei Feststellung eines durch Ziehen des Konsumenten versursachten Luftstroms 34 durch den Luftkanal 30 von der Steueranordnung 29 angesteuert wird, um mittels Strom aus der Energiequelle beheizt zu werden und die aus der Düse 26 austretenden Tröpfchen zu verdampfen, d. h. in den gas- bzw. dampfförmigen Zustand zu versetzen. Zur Erzielung einer optimalen Verdampfung ist das Heizelement 36 vorzugsweise gegenüberliegend der Düse 26 angeordnet. Das elektrische Heizelement 36 kann insbesondere als Heizplatte mit ebener oder strukturierter Oberfläche ausgeführt sein. Die Größe und Oberflächenbeschaffenheit bzw. Struktur des Heizelements 36 ist vorzugsweise an die Viskosität und Oberflächenspannung bzw. Benetzungsfähigkeit der Flüssigkeit angepasst. Auch eine polare Beschichtung ist möglich.
Das Heizelement 36 wird von der Steueranordnung 29, insbesondere der elektrischen/elektronische Einheit 19, so angesteuert, dass dieses eine im Wesentlichen konstante Verdampfungstemperatur vorzugsweise im Bereich zwischen 100°C und 400°C aufweist. Dies kann vorteilhaft durch eine Regelung der Heizleistung geschehen. Vorzugsweise ist eine Leistungsreserve für das Heizelement 36 vorgesehen. Die Verdampfungsleistung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1 W bis 20 W, weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 2 W und 10 W.
Im Falle einer Mehrzahl von Verdampfer-Heizelementen 36, 36A (siehe 7 bis 9) zur Verdampfung einer Mehrzahl von Flüssigkeiten 50, 50A, werden die Heizelemente 36, 36A vorzugsweise getrennt geregelt, um für jede Komponente eine optimale Verdampfungstemperatur sicherstellen zu können. Auch eine zeitlich versetzte Verdampfung verschiedener Flüssigkeiten 50, 50A ist denkbar, wobei die Tröpfchen alternierend bzw. wechselweise getaktet aus den verschiedenen Düsen auf die Heizelemente 36, 36A geschossen werden. Dies kann zu einer gleichmäßigeren Verdampfung führen. Des Weiteren ist es in einer solchen Ausführung möglich, eine angepasste Verdampfungstemperatur auch nur mit einem Heizelement zu erreichen.
Die Zerstäuber/Verdampfer-Kombination kann vorteilhaft so eingestellt sein, dass überwiegend Flüssigkeitspartikel im Bereich zwischen 0,25 μm bis 10 μm entstehen, für die eine optimale Wirkstoffaufnahme bzw. Lungengängigkeit gegeben ist.
Da die Kammer 24 insbesondere zur Verdampfung der aus der Düse 26 austretenden Tröpfchen dient, kann die Kammer 24 auch als Verdampferkammer bezeichnet werden. Die Kammer 24 ist im Querschnitt vorteilhaft länglich, wie beispielsweise in 3 gezeigt, wobei die Düse 26 und das Heizelement 36 vorteilhaft an gegenüberliegenden Längsseiten angeordnet sind. Vorzugsweise senkrecht oder seitlich zu der Austrittsrichtung des Flüssigkeitsstrahls aus der Düse 26 ist eine Austrittsbohrung 37 vorgesehen, durch die der von dem Verdampfer 49 erzeugte Dampf aus der Verdampferkammer 24 austritt, wo er von dem vorzugsweise senkrecht zu der Bohrung 37 verlaufenden Luftstrom 34 mit- und aufgenommen wird.
Das Heizelement 36 kann in vorteilhaften Ausführungsformen mit einem Piezoelement ausgestattet sein. Das aufgrund der Piezo-Anregung vibrierende Heizelement 36 kann zu einer Verbesserung der Verdampfungswirkung und/oder Erzielung von Selbstreinigungseffekten, d. h. Vermeidung von Anbrennen oder Anhaftungen, führen.
Optional kann eine Temperierung oder Vorwärmung des Dampfes auf eine gewünschte Temperatur, beispielsweise Körpertemperatur (37°C), vorgesehen sein. Dies kann vorteilhaft mittels eines entsprechenden Heizelements oder eines Wärmetauschers geschehen. Ebenfalls optional kann eine Verwirbelung des Dampfes vorgesehen sein, beispielsweise in einer Mischkammer mit Umgebungsluft, oder durch geeignetes Design eines Mundstücks des Zigarettenprodukts 10, etwa durch Bohrungen unter 45°, Helixstrukturen, Lavaldüse und dergleichen.
Da der Aktuator 25 des Zerstäubers 22 und das Heizelement 36 des Verdampfers 23 separat elektrisch mit der Steueranordnung 29 verbunden sind und separat voneinander angesteuert werden, ist eine vorteilhafte funktionale Trennung zwischen der Förderung/Dosierung/Zerstäubung einerseits und der Verdampfung andererseits realisiert.
Der Flüssigkeitskanal 27 ist vorzugsweise mittels einer zwischen der Zugabevorrichtung 20 und dem Flüssigkeitstank 18 angeordneten, die Mündung des Flüssigkeitskanals 27 nach außen umgebenden Dichtung 28 abgedichtet.
Im Folgenden werden unterschiedliche Sensoriken in dem Zigarettenprodukt 10 zur sensorischen Überwachung und/oder Regelung beschrieben.
Vorzugsweise ist eine Sensorik zur Messung und/oder Regelung der Temperatur der Heizplatte 36 vorgesehen. Dies kann beispielsweise über einen Temperaturfühler, eine widerstands-veränderliche leitende Beschichtung des Heizelements 36 oder Messung des Energieverlusts nach Abkühlung der Heizplatte 36 durch auftreffende Flüssigkeit erfolgen. Des Weiteren ist vorzugsweise eine Sensorik zur Messung und/oder Regelung der Temperatur der Zuluft, d. h. des Luftstroms 34 vor der Zugabe der Flüssigkeit durch die Zugabevorrichtung 20, vorgesehen. Ebenfalls vorteilhaft ist eine Temperaturmessung und/oder -regelung des Dampfes bzw. Aerosols 40 vorgesehen, insbesondere in der Kammer 24 und/oder in dem Luftstrom 34 nach der Zugabe der Flüssigkeit durch die Zugabevorrichtung 20. Auch der Einsatz eines pH-Sensors ist denkbar.
Die durch die Einlassöffnung 31 angesaugte Luft wird in dem Luftkanal 30, ggf. über die Schnittstelle bzw. Trennfläche 57 zu der Zugabevorrichtung 20 geleitet. In dem Luftkanal 30 kann ein Filter, insbesondere ein Feinfilter zum Herausfiltern von Staubpartikeln aus der angesaugten Luft angeordnet sein. In dem Luftkanal 30 ist des Weiteren ein Druck- oder Strömungsschalter 44 zur Aktivierung des Zerstäubers 48 und des Verdampfers 49 infolge der Erzeugung eines Luftstroms 34 durch den Konsumenten so angeordnet, dass der Luftstrom 34 daran vorbeiströmt. Der Strömungsschalter 44 kann in der Durchströmungsvariante in der Verdampferkammer 24 angeordnet sein, siehe beispielsweise 5 und 6. Alternativ kann der Strömungsschalter 44 an geeigneter Stelle in dem Luftkanal 30 außerhalb der Verdampferkammer 24 angeordnet sein. Der Strömungsschalter 44 kann vorteilhaft in die elektrische/elektronische Einheit 19 integriert sein, in diesem Fall ist der Luftkanal 30 vorteilhaft so angeordnet, dass der Luftstrom 34 an der elektrischen/elektronischen Einheit 19 vorbeiströmt. Der Strömungsschalter 44 kann beispielsweise ein Unterdruckschalter, etwa nach dem Prinzip des Kondensatormikrofons sein. Zusätzlich oder alternativ zu dem Strömungsschalter 44 kann das Zigarettenprodukt mittels eines mechanischen Schalters, eines kapazitiven Schalters, der auf Berührung des Gehäuses 11 oder des Mundendes 32 durch den Konsumenten empfindlich ist, oder eines Touchscreens ein- und ausschaltbar sein.
Der Dampf bzw. das Aerosol 40 wird entweder der Luftströmung 34 zugeführt, indem diese außen an der Austrittsöffnung 42 der Verdampferkammer 24 vorbeiströmt, siehe 1, 3, 4, 7, 8, 9, 11 und 12. In alternativen Ausführungsformen durchströmt der Luftstrom 34 die Zugabevorrichtung 20 und der Dampf bzw. das Aerosol 40 wird in der Verdampferkammer 24 von der Luftströmung 30 mit- und aufgenommen, siehe 5, 6 und 10. In der Ausführungsform gemäß 1 wird der Dampf bzw. das Aerosol 40 senkrecht zu der exzentrisch und in Axialrichtung des Zigarettenprodukts 10 strömenden Luftströmung 34 zugegeben. In der Ausführungsform gemäß 10 durchströmt der Luftstrom 34 die Zugabevorrichtung 20 senkrecht zu der Axialrichtung des Zigarettenprodukts 10. In der Ausführungsform gemäß 11 wird der Dampf bzw. das Aerosol 40 axial zentrisch in Gegenrichtung zu der axialen Hauptströmungsrichtung der durch das Zigarettenprodukt 10 strömenden Luftströmung 34 zugegeben. In der Ausführungsform gemäß 12 wird der Dampf bzw. das Aerosol 40 axial zentrisch in der axialen Hauptströmungsrichtung der durch das Zigarettenprodukt 10 strömenden Luftströmung 34 zugegeben.
Die Zugabevorrichtung 20 kann fern vom Mundende 32 der Zigarettenvorrichtung 10, insbesondere im Bereich der Schnittstelle 57 zwischen der Kartusche 21 und dem Grundteil 56 angeordnet sein, wie in den Ausführungsbeispielen gemäß 1, 10 und 11. Die Zugabevorrichtung 20 kann alternativ nahe am Mundende 32 der Zigarettenvorrichtung 10 angeordnet sein, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 12. Auch eine zum Flüssigkeitstank 18 seitliche Anordnung insbesondere im Bereich der elektrischen/elektronischen Einheit 19 ist möglich.
Vorzugsweise ist eine Sensorik zur Messung und/oder Regelung des Flüssigkeits-Volumenstroms bzw. unterschiedlicher Flüssigkeiten bzw. flüssiger Komponenten (siehe unten) vorgesehen. Dies kann beispielsweise durch Zählung der Tröpfchenzahl und/oder Auswertung der Aktuationsfrequenz des Aktuators 25, oder über Auswertung der Heizleistung bzw. der Temperaturveränderung des Heizelements 36 geschehen.
Ebenfalls vorteilhaft kann eine Sensorik zur Messung des Volumenstroms des Luftstroms 34 entweder vor oder nach der Zugabe von Flüssigkeit durch die Zugabevorrichtung 20 vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise durch Auswertung der Aktivierungszeit eines Druckschalters unter Berücksichtigung der Strömungsgeometrie geschehen.
Vorzugsweise enthält das Zigarettenprodukt 10 einen oder mehrere Drucksensoren zur Messung und/oder Kontrolle des Drucks bzw. Dampfdrucks in der Verdampferkammer 24, des Drucks in dem Luftkanal 30, beispielsweise zur Aktivierung bzw. Schaltung der Zugabevorrichtung 20, und/oder zur Dichtigkeitsprüfung zwischen Zugabevorrichtung 20 und Flüssigkeitstank 18.
In der Ausführungsform gemäß 3 sind sowohl das Zerstäuberbauteil 22 als auch das Verdampferbauteil 23 in Mikrosystem-Technik auf einem Substrat, beispielsweise aus einem Polymer, Glas, Keramik, Metall, Halbmetall, z. B. Silizium, Siliziumverbindungen oder Metalloxidverbindungen, ausgeführt. Mikrosystemtechnische Einheiten weisen elektrische und/oder mechanische Strukturen mit Abmessungen im Mikrometer- bzw. Sub-Millimeter-Bereich auf, die in einem einheitlichen Bearbeitungsvorgang in ein Substrat eingearbeitet werden. Im Falle eines Zerstäuberbauteils 22 werden insbesondere der Flüssigkeitskanal 27, der elektrische Aktuator 25 und ggf. in dem Zerstäuberbauteil 22 vorgesehene Sensorik in einem einheitlichen Bearbeitungsvorgang der Mikrosystem-Technologie in das Substrat 38 eingearbeitet. Im Falle eines Verdampferbauteils 23 wird insbesondere das Heizelement 36 und ggf. ein Piezoelement zum Vibrieren des Heizelements 36 und in dem Verdampferbauteil 23 vorgesehene Sensorik in einem einheitlichen Bearbeitungsvorgang der Mikrosystem-Technologie in das Substrat 38 eingearbeitet. In der Ausführungsform gemäß 3 ist daher die gesamte Zugabevorrichtung 20 als einheitliche mikrosystemtechnische Einheit 45 ausgeführt.
In der Ausführungsform gemäß 3 ist das Heizelement 36 flach und parallel zu der Oberfläche des Substrats 39, also quasi „liegend” angeordnet.
Die Ausführungsform gemäß 4 unterscheidet sich von der gemäß 3 dahingehend, dass hier das Heizelement 36 aus einer Mehrzahl von senkrecht von der entsprechenden Oberfläche des Substrats 39 abstehenden Heizstäben 41, also aus einer quasi „stehenden” dreidimensionalen Heizelement-Struktur besteht.
In den Ausführungsformen gemäß 5 und 6 wird die Zugabevorrichtung 20 von dem von dem Konsumenten erzeugten Luftstrom 34 durchströmt und nimmt dadurch den in der Verdampferkammer 24 erzeugten Dampf bzw. das Aerosol mit. Es ist dafür eine Lufteintrittsöffnung 42 und eine Luftaustrittsöffnung 43 in der Zugabevorrichtung 20 vorgesehen. Der Druckschalter 44, beispielsweise ein Kondensatorschalter, zur Aktivierung des Zerstäubers 48 und des Verdampfers 49 infolge der Erzeugung eines Luftstroms 34 durch den Konsumenten, ist vorteilhaft in die mikrosystemtechnische Einheit 45 integriert, beispielsweise in das Verdampferbauteil 23 (siehe 5), alternativ in das Zerstäuberbauteil 22 (siehe 6).
In dem Flüssigkeitskanal 27 kann vorteilhaft eine Vorheizung mit einem elektrischen Vorheizelement 46 und einer Vorwärmkammer 47 angeordnet sein, wie beispielhaft in der Ausführungsform gemäß den 5 und 6 gezeigt ist.
In der Ausführungsform gemäß 6 ist nur das Zerstäuberbauteil 22 als mikrosystemtechnische Einheit 45 ausgebildet, während das Substrat 39 des Verdampferbauteils 23 aus einem nichtleitenden Material, insbesondere Glas, Keramik oder einem Kunststoff, gefertigt ist. Dieser Aufbau kann kostengünstiger und somit vorteilhaft sein. Das Verdampferbauteil 23 ist vorteilhaft an das Zerstäuberbauteil 22 angebunden bzw. gebondet. Der vorzugsweise aus einem Kunststoff, beispielsweise PDMS (Polydimethylsiloxan), bestehende Flüssigkeitstank 18 ist vorteilhaft ebenfalls an das Zerstäuberbauteil 22 bzw. die mikrosystemtechnische Einheit 45 fest und flüssigkeitsdicht angebunden bzw. gebondet, beispielsweise geklebt oder geschweißt.
Die Ausführungsformen gemäß 7 und 8 betreffen eine vorteilhafte Variante der Erfindung, bei der unterschiedliche Flüssigkeiten 50, 50A, beispielsweise die Flüssigkeit 50 und ein separater flüssiger Wirkstoff 50A, aus einer Mehrzahl von Flüssigkeitstanks 18, 18A mit einer Mehrzahl von Zerstäubern 48, 48A, hier Freistrahl-Zerstäuber nach dem Inkjet- oder Bubblejet-Prinzip mit Aktuatoren 25, 25A, zerstäubt und mit einer Mehrzahl entsprechender Verdampfer 49, 49A bzw. Heizelementen 36, 36A verdampft werden. Das Zerstäuberbauteil 22 und das Verdampferbauteil 23 sind im Falle der 7 als einheitliche mikrosystemtechnische Einheit bzw. Baugruppe 45 ausgebildet. Im Falle der 8 ist der Aufbau vergleichbar mit dem aus 6, d. h. nur das Zerstäuberbauteil 22 ist als mikrosystemtechnische Einheit ausgeführt, während das Substrat 39 des Verdampferbauteils 23 aus einem nichtleitenden Material, insbesondere Glas, Keramik oder einem Kunststoff, gefertigt ist.
Eine alternative Variante zum Zuführen von Wirkstoff besteht darin, diesen als homogenes Gemisch in die Flüssigkeit 50 einzumischen.
Die Ausführungsform gemäß 9 kann zum Zuführen derselben Flüssigkeit 50 oder unterschiedlicher Flüssigkeiten 50, 50A verwendet werden. Hier sind die Zerstäuber 48, 48A und die Verdampfer 49, 49A auf derselben mikrosystemtechnischen Einheit 45 angeordnet, die Verdampferkammer 24 wird gegenüberliegend von der mikrosystemtechnischen Einheit 45 von einem Deckel 51 aus einem geeigneten Material abgeschlossen. Die Heizelemente 36, 36A sind in diesem Fall an gegenüberliegenden Seiten einer senkrecht in die Verdampferkammer 24 ragenden Zwischenwand 52 angeordnet und bilden somit eine „stehende” Heizelement-Struktur.
Sämtliche in den Figuren gezeigten Ausführungsformen weisen einen oder mehrere Verdampfer 49 auf. Es sind jedoch Ausführungsformen ohne Verdampfer denkbar, beispielsweise für medizinische Anwendungen. Hier kann es ausreichen, mittels Zerstäuber 48 ein Aerosol zu erzeugen und dem Luftstrom 30 zuzuführen. Mit einem Freistrahl-Zerstäuber nach dem Inkjet- oder Bubblejet-Prinzip lassen sich beispielsweise Tröpfchen mit einer mittleren Größe im Bereich zwischen 10 μm und 50 μm, vorzugsweise zwischen 20 μm und 40 μm, typischerweise etwa 30 μm erzeugen. Die Dosierfrequenz liegt typischerweise im kHz-Bereich.
In praktischen Ausführungsformen kann vorteilhaft eine Vielzahl von Zerstäubern 48, beispielsweise in Matrixform, in der Zugabevorrichtung 20 angeordnet sein. Der Vielzahl von Zerstäubern 48 kann eine entsprechende Vielzahl von Verdampfern 49, beispielsweise ebenfalls in Matrixform, zugeordnet sein. Die Zugabevorrichtung 20 kann daher auch als Array, in mikrosystemtechnischer Bauweise als MST-Array bezeichnet werden. Die Anzahl der Zerstäuber 48 beträgt vorzugsweise zwischen zwei und zwanzig, vorzugsweise zwischen drei und zehn.
Für die Erzeugung größerer Dampfmengen können eine Mehrzahl von Zugabevorrichtungen 20 bzw. mikrosystemtechnischen Einheiten 45 in dem Zigarettenprodukt angeordnet sein.
Die Verbrauchseinheit 17 bzw. die Kartusche 21 umfasst vorteilhaft einen nichtflüchtigen Informationsspeicher 53 (siehe 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 Flüssigkeitstank 18 gespeicherten Flüssigkeit; Information zum Prozessprofil, insbesondere Leistungs-/Temperatursteuerung; Daten zur Zustandsüberwachung bzw. Systemprüfung, beispielsweise Dichtigkeitsprüfung; Daten betreffend Kopierschutz und Fälschungssicherheit, insbesondere umfassend eine ID zur eindeutigen Information der Verbrauchseinheit 17 bzw. Kartusche 21; Seriennummer, Herstelldatum und/oder Ablaufdatum; und/oder Zugzahl (Anzahl der Inhalationszüge durch den Konsumenten) bzw. der Nutzungszeit.
Zwischen der Verbrauchseinheit 17 bzw. der Kartusche 21 und der Energieversorgungseinheit 12 ist vorteilhaft eine elektrische Verbindung 54 über eine entsprechende elektrische Schnittstelle 55, die eine Auswechslung der Kartusche 21 ermöglicht, vorgesehen. Die elektrische Verbindung 54 dient einerseits dem Datenaustausch zwischen der Verbrauchseinheit 17 bzw. der Kartusche 21 und der Energieversorgungseinheit 12, andererseits der Stromversorgung der Verbrauchseinheit 17 bzw. der Kartusche 21 durch den elektrischen Energiespeicher 14. Der Datenaustausch kann über eine direkte elektrische Ankopplung, beispielsweise mittels Federkontaktelementen, eine Funkverbindung oder eine optische Verbindung, erfolgen.
Sämtliche elektrischen Kontakte der Kartusche 21 für die Energiezufuhr, ggf. auch für die Datenübertragung, sind vorteilhaft in Form einer einheitlichen elektrischen Schnittstelle 55 nach außen geführt, beispielsweise in Form eines Kontakt-Arrays, wobei eine sichere elektrische Verbindung zum Grundteil 56 vorteilhaft mittels Federkontaktelementen hergestellt wird. Die Stromversorgung kann alternativ zu einer direkten elektrischen Ankopplung, beispielsweise mittels Federkontaktelementen, beispielsweise auch induktiv erfolgen. Die mechanische Verbindung zwischen der Kartusche 21 und dem Grundteil 56 kann auf geeignete Weise gebildet sein, beispielsweise mittels Gewinde, Steckverbindung, Bajonettverschluss, magnetisch oder auf andere Weise. Auf die beschriebene Weise kann eine flexible Anbindung einer Standardkartusche 21 an einen individuell ausgeführten Grundteil 56 erfolgen.
Die Energieversorgungseinheit 12 bzw. das Grundteil 56 umfasst vorteilhaft eine Kommunikationsschnittstelle 59 (siehe 1) zur externen Kommunikation mit einem externen Kommunikationsgerät, beispielsweise einem Mobiltelefon. Die Kommunikationsschnittstelle 59 weist vorzugsweise ein Funkmodul auf, beispielsweise ausgebildet für Near Field Communication (NFC), Bluetooth, WiFi oder ANT+. Zusätzlich oder alternativ ist eine externe Steckverbindung, beispielsweise eine USB-Steckbuchse für eine USB-Verbindung, möglich. Die Kommunikationsschnittstelle 59 kann Teil der elektrischen/elektronischen Einheit 15 oder separat davon ausgebildet sein.
Die Energieversorgungseinheit 12 bzw. das Grundteil 56 kann vorteilhaft eine Ladeschnittstelle 60 zum Aufladen des Energiespeichers 14 aufweisen. Die Ladeschnittstelle 60 kann beispielsweise eine Aufladung per Induktion ermöglichen. Alternativ kann es sich um eine Steckverbindung oder eine andere direkte elektrische Ankopplung, beispielsweise eine USB-Verbindung, handeln. Anstelle einer Ladeschnittstelle kann der Energiespeicher auch als Tauschakku oder Tauschbatterie ausgebildet sein, wobei ein entladener Energiespeicher 14 von dem Konsumenten aus dem Zigarettenprodukt 10 entnehmbar und ein geladener Energiespeicher 14 wieder einsatzbar ist. Es sind auch Ausführungsformen mit Einweg-Energiespeicher 14, insbesondere Batterie, ohne Ladeschnittstelle 60 denkbar, wobei das Grundteil nach Entladung des Energiespeichers 14 entsorgt wird.
Die elektrische/elektronische Einheit 15 des Grundteils 56 ist vorzugsweise zur Durchführung von Diagnosefunktionen insbesondere per Software eingerichtet, beispielsweise zum Erkennen von Fehlfunktionen, beispielsweise Prüfen der Düsen 26, 37 und/oder Prüfen des Verdampfers 49, einschließlich Plausibilität der Verdampferleistung; und/oder Prüfen des Ladezustands der Energiespeichers 14. Die elektrische/elektronische Einheit 15 kann des Weiteren eine Sicherung, beispielsweise eine Schmelzsicherung für Kurzschlussschutz, und/oder eine Missbrauchsschutzvorrichtung, beispielsweise einen Fingerabdrucksensor, aufweisen.
Die elektrische/elektronische Einheit 15 des Grundteils 56 ist vorteilhaft zur Durchführung statistischer Auswertungen insbesondere per Software eingerichtet. Diese können beispielsweise das Konsumentenverhalten betreffen, beispielsweise die Zugzahl über der Zeit, den Flüssigkeitsverbrauch allgemein und/oder pro Kartusche, die Nikotin- bzw. Wirkstoffaufnahme, die Flüssigkeitszusammensetzung und dergleichen. Weitere Aspekte einer statistischen Auswertung können Marktentwicklungen und Trends betreffen. Es kann auch eine API-Schnittstelle zur Anwendungsprogrammierung vorgesehen sein, die beispielsweise eine Darstellbarkeit sämtlicher Sensorinformationen in beliebiger Kombination ermöglicht.
Die elektrische/elektronische Einheit 15 des Grundteils 56 ist vorteilhaft zur Visualisierung von Daten bzw. Informationen auf einem Anzeigegerät insbesondere per Software eingerichtet. Dabei kann es sich um ein internes Anzeigegerät handeln, insbesondere ein Display, Bildschirm, Touchscreen oder LED-Anzeige in dem Gehäuse 11 des Grundteils 56. Zusätzlich oder alternativ kann die Visualisierung auf einem externen Anzeigegerät, beispielsweise einem Mobiltelefon, erfolgen. Die visualisierte Information kann die Abbildung der statistischen Auswertung, einen zeitlichen Trend und/oder Informationen über ein aktuelles Konsumprofil, betreffend beispielsweise den Systemzustand (Ladezustand des Energiespeichers 14), Dampfvolumen, Kartuscheninhalt etc. beinhalten.
In 13 sind Diagramme zur Erläuterung einer möglichen Temperatur- und Heizleistungssteuerung bzw. -regelung gezeigt. Dabei ist oben der Zugwiderstand des Luftstroms 34, in der Mitte der Volumenstrom der Flüssigkeit 50 und unten die Temperatur des Heizelements 36 jeweils über der Zeit aufgetragen. Die Temperatur wird dabei beispielsweise über die Widerstandsänderung durch Abkühlung bei Benetzung mit Flüssigkeit erfasst und die Leistung dementsprechend nachgeregelt. Dabei kann eine gepulste Zufuhr der Wärmeenergie mit „tröpchenweisen” Spannungsimpulsen insbesondere im Sub-ms-Bereich vorteilhaft sein.
Ein auf der Grundlage des vorstehend Beschriebenen unter Zuhilfenahme der eingefügten Bezugszeichen im Wesentlichen selbsterklärendes Funktionsschaltbild des erfindungsgemäßen Zigarettenprodukts 10 ist in 14 gezeigt.
Bei sämtlichen in den Figuren gezeigten Ausführungsformen weist die Verbrauchseinheit 17 bzw. die Kartusche 21 eine elektrische Steuereinheit 19 und weitere elektrische Komponenten, insbesondere Aktuatoren 25 und Heizelemente 36 auf. Es sind jedoch auch Ausführungsformen möglich, bei denen die elektrische Steuereinheit 19 und/oder die weiteren elektrischen Komponenten vollständig in dem wiederverwendbaren Grundteil 56 angeordnet sind, so dass die Anzahl der elektrischen Komponenten in der Verbrauchseinheit 17 bzw. Kartusche 21 reduziert sind, oder die Verbrauchseinheit 17 bzw. Kartusche 21 höchstens passive elektrische Komponenten (passiver Datenspeicher 53 wie RFID, Transponder oder dergleichen) umfasst, oder frei von elektrischen Komponenten ist. Diese Ausführungsformen haben den Vorteil, dass eine elektrische Kontaktierung der Kartusche 21 über die elektrische Schnittstelle 55 vorteilhaft entfallen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2016/0021930 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 6565:2011 [0026]

Claims

Elektronisches Zigarettenprodukt (10), umfassend ein Gehäuse (11) mit einem Mundende (32), mindestens einer Lufteinlassöffnung (31) und einem in dem Gehäuse zwischen der mindestens einen Lufteinlassöffnung (31) und dem Mundende (32) verlaufenden Luftkanal (30), einen Flüssigkeitstank (18), einen elektrischen Energiespeicher (14) und eine mit dem Flüssigkeitstank (18) verbundene Zugabevorrichtung (20) zur Erzeugung von Dampf und/oder Aerosol von aus dem Flüssigkeitstank (18) entnommener Flüssigkeit (50) und Zugabe des Dampfs und/oder Aerosols (40) zu einem in dem Luftkanal (30) strömenden Luftstrom (34), dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabevorrichtung (20) mindestens teilweise aus einer mikrosystemtechnischen Einheit besteht.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitstank (18) und die Zugabevorrichtung (20) in einer auswechselbaren Einheit (21) verbunden sind.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kartusche (21) eine elektrische Einheit (19) umfasst.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kartusche (21) einen Informationsspeicher (53) zum Speichern von die Kartusche (21) betreffender Information und/oder Parametern umfasst.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der größten Erstreckung der mikrosystemtechnischen Einheit (45) zum mittleren Durchmesser des im Wesentlichen stabförmigen Gehäuses (11) im Bereich der Zugabevorrichtung (20) kleiner als 0,5 ist.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabevorrichtung (20) einen Zerstäuber (48) zum Zerstäuben der Flüssigkeit (50) in Tropfen umfasst.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuber (48) als mikrosystemtechnische Einheit ausgebildet ist.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuber (48) ein Freistrahl-Zerstäuber mit einem Thermo- oder Piezo-Aktuator (25) und einer nachgeordneten Düse (26) ist.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuber (22) ein elektrisches Vorheizelement (46) und eine Vorwärmkammer (47) zum Vorwärmen der aus dem Flüssigkeitstank (18) in die Zugabevorrichtung (20) eintretenden Flüssigkeit aufweist.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein metallisches, die Flüssigkeit kontaktierendes Teil des Zerstäubers (48) auf eine elektrische Gleichspannung gelegt ist, um eine Ionisierung der zerstäubten Flüssigkeit zu bewirken.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabevorrichtung (20) einen Verdampfer (49) mit einem elektrischen Heizelement (36) umfasst.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (49) als mikrosystemtechnische Einheit ausgebildet ist.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung des Heizelements (36) auf eine definierte Solltemperatur steuer- und/oder regelbar ist.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (23) ein mit dem elektrischen Heizelement (36) gekoppeltes Piezoelement umfasst.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach den Ansprüchen 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass Zerstäuber (48) und Verdampfer (49) unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar sind.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Flüssigkeiten (50, 50A) aus einer Mehrzahl von Flüssigkeitstanks (18, 18A) mit einer Mehrzahl von Zerstäubern (48, 48A) zerstäubt werden.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass den Zerstäubern (48, 48A) eine entsprechende Mehrzahl von Verdampfern (49, 49A) mit Heizelementen (36, 36A) zugeordnet sind.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung der Heizelemente (36, 36A) individuell auf definierte Solltemperaturen steuer- und/oder regelbar ist.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitstank (18) mindestens einen flexiblen Beutel enthält.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeitsspeicher-/Zerstäubereinheit in Form einer Liquid-on-Chip-Vorrichtung vorgesehen ist.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Zerstäubern (48) insbesondere in Matrix- oder Arrayform in der Zugabevorrichtung (20) parallel angeordnet sind.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Zugabevorrichtungen (20) in dem Zigarettenprodukt (10) parallel angeordnet sind.
Elektronisches Zigarettenprodukt nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zigarettenprodukt (10) eine Kommunikationsschnittstelle (59) zur externen Kommunikation umfasst.
Kartusche (21) für ein elektronisches Zigarettenprodukt, umfassend einen Flüssigkeitstank (18) und eine mit dem Flüssigkeitstank (18) verbundene Zugabevorrichtung (20) zur Erzeugung von Dampf und/oder Aerosol von aus dem Flüssigkeitstank (18) entnommener Flüssigkeit (50) und Zugabe des Dampfs und/oder Aerosols zu einem Luftstrom (34), dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabevorrichtung (20) mindestens teilweise eine mikrosystemtechnische Einheit (45) umfasst.