Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Temperaturregelung eines Verdampfers für einen Inhalator, insbesondere ein elektronisches Zigarettenprodukt, wobei der Ver dampfer mindestens ein elektrisches Widerstands-Heizelement auf weist, und mit einem elektronischen gesteuerten Schaltelement, wobei der Stromfluss durch das Heizelement mit dem Schaltelement ein- und ausschaltbar ist.

Typische am Markt befindliche E-Zigaretten verdampfen ohne eine Temperaturregelung. I n der Regel werden die Heizwendel mit einer Gleichspannung oder mit Spannungspulsen versorgt. Die Heizleis tung stellt sich dann abhängig vom jeweiligen temperaturabhängigen Gesamtwiderstand des Heizkreises ein . Die Heizertemperatur hängt somit nicht nur von der eingestellten Heizspannung, sondern zusätzlich von der Wärmeabfuhr ab. Diese Wärmeabfuhr hängt jedoch von weiteren nicht kontrollierten Einflussgrößen, wie der Umgebungs temperatur, der Liquidtemperatur, der Heizerbenetzung und der Luftströmung entlang des Heizelements ab, sodass die Temperatur stark variieren kann. Insbesondere der Effekt des Dry-Puffs, des lokalen Überhitzens des Drahts aufgrund von lokalem Liquidmangel, führt zur Entstehung von Schadstoffen und/oder zum Durchbrennen des Heizers.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Temperaturregelung für einen Verdampfer bereitzustellen, die auch bei relativ geringem Heizwiderstand eine genaue Temperaturregelung bei geringer Heizspannung ermöglicht und lokale Überhitzungen früh erkennt und diesen entgegenwirkt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhän gigen Ansprüche.

Die Erfindung umfasst die Schritte Messung der an dem Heizele ment anliegenden Spannung , Messung des durch das Heizelement fließenden Stroms, Ermittlung des Widerstands des Heizelements aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom, und Regelung der Temperatur des Heizelements durch gesteuertes Aus schalten des Schaltelements, so dass der Stromfluss durch das Heizelement unterbrochen wird, wenn der ermittelte Widerstand eine erste kritische Schwelle erreicht, entsprechend einer Temperatur des Heizelements, die eine kritische Temperatur überschreitet.

Die Erfindung sieht demnach eine Temperaturregelung des Heizelements über die Bestimmung des Heizwiderstands vor. Der Heiz strom und die Heizspannung werden am Heizelement gemessen und der Heizwiderstand wird in einer elektronischen Steuereinrichtung insbesondere nach dem Ohm’schen Gesetz errechnet. Bei Erreichen eines kritischen Widerstands, der einer kritischen Temperatur entspricht, wird das Schaltelement ausgeschaltet, so dass der Stromfluss durch das Heizelement unterbrochen wird, wodurch die Tem peratur des Heizelements wieder sinkt und die Entstehung von Schadstoffen zuverlässig vermieden wird. Die Erfindung stellt eine einfache und gleichzeitig zuverlässige Temperaturregelung für das mindestens eine Heizelement bereit. Erfindungsgemäß findet keine aufwändige Regelung der Heizspannung statt. Vielmehr kann die Heizspannung im wesentlichen konstant bleiben und die Tempera- turregelung wird durch einfaches Aus- bzw. Einschalten des Strom flusses durch das Heizelement erreicht.

I n einer vorteilhaften Ausführung wird der Stromfluss durch das Heizelement für eine vorbestimmte Zeitdauer ausgeschaltet, wenn der ermittelte Widerstand den ersten kritischen Wert erreicht. Die vorbestimmte Zeitdauer ist so bemessen, dass das Heizelement innerhalb dieser Zeitspanne auf eine Temperatur unterhalb einer Soll temperatur abkühlt. Daraufhin wird das Schaltelement vorteilhaft wieder eingeschaltet, so dass wieder Strom durch das Heizelement fließt und dieses erneut geheizt wird.

I n einer anderen Ausführungsform bleibt der Stromfluss durch das Heizelement so lange ausgeschaltet, bis der ermittelte Widerstand eine zweite kritische Schwelle erreicht, so dass die Temperatur des Heizelements unterhalb einer kritischen Temperatur liegt. Sobald der unkritische Zustand erreicht ist, wird das Schaltelement vorteil haft wieder eingeschaltet wird, so dass wieder Strom durch das Heizelement fließt und dieses erneut geheizt wird. I n dieser Ausfüh rungsform wird vorteilhaft der Stromfluss durch das Heizelement periodisch nur für ein kurzes Messintervall eingeschaltet, um die Widerstandsmessung durchführen zu können . Auf diese Weise wird für die Widerstandsmessung nur sehr wenig Energie verbraucht.

Vorzugsweise wird nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer, bzw. wenn der ermittelte Widerstand die zweite kritische Schwelle R_cu wieder unter- oder überschreitet, das Schaltelement wieder einge schaltet, so dass wieder Strom durch das Heizelement fließt.

I nsbesondere im Falle eines Heizwiderstands aus einem PTC-Mate- rial (positiver Temperaturkoeffizient) ist vorteilhaft die erste kritische Schwelle R_co eine obere Schwelle und die zweite kritische Schwel le R_cu eine untere kritische Schwelle, so dass R_cu < R_co. Während der Wert für die obere Widerstandsschwelle R_co durch die Zersetzungstemperatur des Liquids oder durch die maximale Nach förderrate des Heizers festgelegt ist, kann die untere Schwelle R_cu in einem weiten Bereich frei eingestellt werden. Je nach Einstellung der niedrigeren Schwelle R_cu befindet sich ein geringerer oder hö herer Anteil der Zug- oder Puffdauer im Temperaturbereich einer effektiven Verdampfung. Dementsprechend kann die untere Schwel le R_cu vorteilhaft zur Einstellung der Dampfmenge genutzt werden.

Alternativ kann die Temperaturregulierung, anstelle des Ausschaltens des Schaltelements, durch Ansteuerung desselben zur pulswei tenmodulierten Spannungsversorgung des Heizelements erfolgen. Das Schaltelement wird dann vorteilhaft zur Pulsweitenmodulation eingesetzt, sodass das Heizelement weniger schnell abkühlt und bei geeigneter Regelung stabil bei der Solltemperatur gehalten werden kann.

Vorzugsweise wird der Widerstand R(t) des mindestens einen Heiz elements von der elektronischen Steuereinrichtung zeitaufgelöst bestimmt. Aus dem zeitlichen Verlauf R(t) des Widerstands lassen sich weitere Informationen gewinnen, die zur Steuerung und/oder Regelung des Verdampfers vorteilhaft verwendet werden können. Des Weiteren wird auch die zeitliche Ableitung dR(t)/dt des Widerstands R(t) des mindestens einen Heizelements vorteilhaft von der elektronischen Steuereinrichtung bestimmt. Beispielsweise kann aus der Aufheizrate d R(t)/dt insbesondere zu Beginn eines Verdampfungsvorgangs vorteilhaft eine ausreichende oder mangelhafte Benetzung des Heizelements festgestellt werden. Auch die Abkühlrate dR(t)/dt nach Abschalten des Heizelements kann vorteilhaft als Maß für die Benetzung des Heizelements mit Liquid verwendet werden.

I m allgemeinen wird die Aufheizrate d R(t)/dt und/oder die Abkühlrate d R(t)/dt zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem bestimmten Zeitraum vorteilhaft als Maß für die Benetzung des Heizelements mit Liquid verwendet.

Wenn die Aufheizrate dR(t)/dt größer ist als ein vorgegebener Wert, kann vorteilhaft auf das Vorhandensein einer großen, signifikante Anteile der Heizerfläche überdeckenden Dampfblase geschlossen werden. I n diesem Falle werden eine oder mehrere geeignete Maßnahmen durchgeführt, insbesondere Reduktion der Heizleistung , Anpassung der Heizerparameter, Abschaltung des betroffenen Hei zers und/oder Ausgabe einer Fehlermeldung.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird bei Feststellung eines zeitlich konstanten Widerstands der der Verdampfungstemperatur entsprechende Widerstand R(Tv _erdampfung ) ermittelt, was eine zusätzliche nützliche I nformation darstellt. Beispielsweise kann aus einer einem Anstieg der Verdampfungstemperatur entsprechenden Ände rung des Widerstands R (T _Ve rda pfung) vorteilhaft eine Anreicherung höher siedender Komponenten im Liquid festgestellt werden. Als Reaktion darauf können vorzugsweise Verdampfungsparameter wie die kritischen Widerstandswerte R_Co und/oder R_cu angepasst werden . Des Weiteren kann bei Überschreiten eines voreingestellten Werts für die Verdampfungstemperatur das Flüssigkeitsreservoir als leer bewertet und eine weitere Verdampfung unterbunden werden.

Zur Erhöhung der Messgenauigkeit sind das Heizelement, das Schaltelement, die Spannungsmesseinrichtung und die Strommess einrichtung vorzugsweise auf derselben Platine bzw. auf demselben Substrat fest fixiert angeordnet. Auf diese Weise können alle Kon- taktwiderstände außerhalb der Vorrichtung, sowie die Heizspan nung , die Temperaturmessung nicht beeinflussen . Alle Kontakt- und Leitungswiderstände innerhalb der Vorrichtung sind aufgrund der Fixierung der Elemente auf der Platine gering und konstant.

I n einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der Verdampfer eine Mehrzahl von parallel geschalteten Widerstands- Heizelementen auf, wobei jedem Heizelement eine eigene Mes- schaltung zugeordnet ist und die elektronische Steuereinrichtung zur Ermittlung des Widerstands und zur individuellen Regelung der Temperatur jedes Heizelements eingerichtet ist. Dies ermöglicht es, dass die Heizertemperatur mit einer gewissen räumlichen Auflösung in einer entsprechenden Zahl von Heizbereichen gemessen werden kann, während im Stand der Technik in der Regel nur die Durchschnittstemperatur des gesamten Verdampfers bestimmbar ist. Die Erfindung kann dagegen die Dampfmenge über die Anzahl der Heizelemente steuern. Wenn etwa ein Heizelement vom Sollzustand abweicht, kann der Verdampfer ggf. dennoch mit den übrigen Heizele menten weiter betrieben werden.

Insbesondere bei steckbaren Systemen mit einer Schnittstelle zwischen einer Verbrauchseinheit mit Verdampfereinheit und Basisteil mit elektronischer Steuereinrichtung kann eine Reduktion der Kontakte bzw. Leitungen vorteilhaft sein. Zu diesem Zweck weist die der I nhalator vorteilhaft ein zwischen der elektronischen Steuereinrich tung und der oder den Messschaltungen angeordnetes Multiple xer/Demultiplexer-System auf.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungs formen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektronischen Zigarettenprodukts; Fig. 2 ein Schaltdiagramm für eine einem Heizelement zuge ordnete Messschaltung;

Fig. 3 eine schematische Skizze zur Darstellung eines Multi plexer/Demultiplexer-Systems für einen Inhalator; und

Fig. 4-6 Widerstands-Zeit-Diagramme zur Erläuterung des Ver dampfungsverhaltens verschiedener Liquide und verschiedener Verdampfungsparameter. Der Inhalator 10, hier ein elektronisches Zigarettenprodukt, umfasst ein Gehäuse 1 1 , in dem ein Luftkanal 30 zwischen mindestens einer Lufteinlassöffnung 31 und einer Luftauslassöffnung 24 an einem Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 vorgesehen ist. Das Mun dende 32 des Zigarettenprodukts 1 0 bezeichnet dabei das Ende, an dem der Konsument zwecks Inhalation zieht und dadurch das Zigarettenprodukt 1 0 mit einem Unterdrück beaufschlagt und eine Luft strömung 34 in dem Luftkanal 30 erzeugt.

Das Zigarettenprodukt 10 besteht vorteilhaft aus einem Basisteil 16 und einer Verbrauchseinheit 1 7, die eine Verdampfereinheit 20 und einen Flüssigkeitsspeicher 18 umfasst und insbesondere in Form einer auswechselbaren Kartusche ausgebildet ist. Die durch die Ein lassöffnung 31 angesaugte Luft wird in dem Luftkanal 30 zu der, oder durch die mindestens eine Verdampfereinheit 20 geleitet. Die Verdampfereinheit 20 ist mit dem Flüssigkeitsspeicher 1 8 verbunden oder verbindbar, in dem mindestens eine Flüssigkeit 50 gespeichert ist. Die Verdampfereinheit 20 verdampft Flüssigkeit 50, die ihr aus dem Flüssigkeitsspeicher 18 zugeführt wird, und gibt die verdampfte Flüssigkeit als Aerosol/Dampf an einer Auslassseite 64 in den Luft strom 34 zu. Ein vorteilhaftes Volumen des Flüssigkeitsspeichers 18 liegt im Bereich zwischen 0, 1 ml und 5 ml, vorzugsweise zwischen 0,5 ml und 3 ml, weiter vorzugsweise zwischen 0,7 ml und 2 ml oder 1 ,5 ml.

Die elektronische Zigarette 1 0 umfasst des Weiteren einen elektri schen Energiespeicher 14 und eine elektronische Steuerungsvor richtung 1 5. Der Energiespeicher 14 ist in der Regel in dem Basisteil 16 angeordnet und kann insbesondere eine elektrochemische Einweg-Batterie oder ein wiederaufladbarer elektrochemischer Akku, beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku, sein. I n dem in Figur 1 gezeigten Beispiel ist der Energiespeicher 14 in einem dem M undende 32 abgewandten Teil des I nhalators 1 0 angeordnet. Die Ver brauchseinheit 1 7 ist zwischen dem Energiespeicher 14 und dem Mundende 32 angeordnet. Die elektronische Steuerungsvorrichtung 1 5 umfasst mindestens eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung, insbesondere Mikroprozessor und/oder Microcontroller, in dem Ba sisteil 16 (wie in Figur 1 gezeigt) und/oder in der Verbrauchseinheit 1 7.

I n dem Gehäuse 1 1 ist vorteilhaft ein Sensor, beispielsweise ein Drucksensor oder ein Druck- oder Strömungsschalter, angeordnet, wobei die Steuerungsvorrichtung 1 5 auf der Grundlage eines von dem Sensor ausgegebenen Sensorsignals feststellen kann, dass ein Konsument am Mundende 32 des Zigarettenprodukts 10 zieht, um zu inhalieren. In diesem Fall steuert die Steuerungsvorrichtung 1 5 die Verdampfereinheit 20 an, um Flüssigkeit 50 aus dem Flüssig keitsspeicher 18 als Aerosol/Dampf in den Luftstrom 34 zuzugeben. Die in dem Flüssigkeitsspeicher 18 gespeicherte, zu dosierende Flüssigkeit 50 ist beispielsweise eine Mischung aus 1 ,2-Propylen- glykol, Glycerin, Wasser, mindestens einem Aroma (Flavour) und/oder mindestens einem Wirkstoff insbesondere Nikotin.

Die Verdampfereinheit 20 umfasst mindesten einen Verdampfer 60 mit mindestens einem Widerstands-Heizelement 21 (siehe Figur 2) und eine Liquidzuführung 1 2 zum Zuführen von Liquid 50 aus dem Flüssigkeitsreservoir 1 8 zu dem Verdampfer 60. Aufgrund des Ohm'schen Widerstands führt ein Stromfluss durch das elektrisch leitende Heizelement 21 zu einer Erhitzung desselben und daher zu einer Verdampfung von mit dem Heizelement 21 in Kontakt stehen der Flüssigkeit. Das Heizelement 21 wirkt somit als Verdampfer 60. Auf diese Weise erzeugter Dampf/Aerosol entweicht zur Auslassseite 64 aus dem Verdampfer 60 und wird der Luftströmung 34 beigemischt, siehe Figur 1 . Die Verdampfungstemperatur liegt vorzugs weise im Bereich zwischen 100°C und 400 °C, weiter bevorzugt zwi schen 150°C und 350 °C, noch weiter bevorzugt zwischen 190 °C und 290 °C.

Die Verdampfereinheit 20 beziehungsweise der mindestens eine Verdampfer 60 ist in einem dem Mundende 32 abgewandten Teil der Verbrauchseinheit 17 angeordnet. Damit ist eine effektive elektri sche Kopplung und Ansteuerung der Verdampfereinheit 20 möglich. Der Luftstrom 34 führt vorteilhaft durch einen axial durch den Flüssigkeitsspeicher 1 8 laufenden Luftkanal 70 zu der Luftauslassöffnung 24.

Die Verbrauchseinheit bzw. Kartusche 17 oder das Basisteil 16 um fasst vorteilhaft einen nichtflüchtigen Datenspeicher 35 zum Spei- ehern von die Verbrauchseinheit bzw. Kartusche 1 7 betreffender Information bzw. Parameter. Der Datenspeicher kann Teil der elektronischen Steuerungsvorrichtung 15 sein. I n dem Datenspeicher ist vorteilhaft Information zur Zusammensetzung der in dem Flüssig keitsspeicher 1 8 gespeicherten Flüssigkeit, I nformation zum Pro zessprofil, insbesondere Leistungs-/Temperatursteuerung; Daten zur Zustandsüberwachung bzw. Systemprüfung, beispielsweise Dichtigkeitsprüfung; Daten betreffend Kopierschutz und Fälschungs sicherheit, eine I D zur eindeutigen Kennzeichnung der Verbrauchs einheit bzw. Kartusche 17, Seriennummer, Fiersteildatum und/oder Ablaufdatum, und/oder Zugzahl (Anzahl der I nhalationszüge durch den Konsumenten) bzw. der Nutzungszeit gespeichert. Der Daten speicher ist vorteilhaft elektrisch mit der Steuereinrichtung 15 verbunden oder verbindbar.

Jedem Fleizelement 21 ist vorteilhaft eine Messschaltung 19 zuge ordnet. Dies wird im Folgenden anhand von Figur 2 erläutert. Die Messschaltung 19 dient zur Messung der an dem Fleizelement an liegenden Spannung und des durch das Fleizelement 21 fließenden Stroms.

An dem Fleizelement 21 (Fleizwiderstand RH) liegt die Heizspan nung VH an. Die Heizspannung VH kann insbesondere die Batterie spannung, d.h. die Spannung des Energiespeichers 14, oder eine daraus abgeleitete bzw. transformierte Spannung sein . In den Strompfad des Heizelements 21 ist ein Schaltelement 22 geschaltet, das durch Anlegen einer Steuerspannung V_GS an einem Steueranschlusses 28 den Strom durch das Heizelement 21 ein- und ausschalten, bzw. wie gewünscht einstellen kann. Das Schaltelement 22 ist vorteilhaft ein Transistor und weiter vorteilhaft ein MOSFET; in diesem Fall ist der Steueranschlusses 28 der Gate-Anschluss und die Steuerspannung V_GS die Gate-Spannung.

Die über dem Heizelement 21 abfallende Spannung wird mittels einer Spannungsmesseinrichtung 23 gemessen, die vorteilhaft auf der Grundlage eines Differenz- bzw. Operationsverstärkers 29 arbeitet. Die Eingänge des Differenz- bzw. Operationsverstärkers 29 sind vorteilhaft mit den Anschlüssen des Heizelements 21 , ggf. über Widerstände R5 bzw. R7, verbunden. Die Ausgangsspannung V_Sp des Differenz- bzw. Operationsverstärkers 29 entspricht der über dem Heizelement 21 abfallenden Spannung oder steht in einer ein deutigen , bekannten Beziehung dazu.

Der durch das Heizelement 21 fließende Strom wird mittels einer Strommesseinrichtung 25 gemessen, die vorteilhaft auf der Grundlage eines Differenz- bzw. Operationsverstärkers 33 arbeitet. Die Eingänge des Differenz- bzw. Operationsverstärkers 33 sind vor zugsweise mit den Anschlüssen eines zu dem Heizelement 21 in Serie geschalteten Referenzwiderstands 27, ggf. über Widerstände R1 bzw. R3, verbunden. Der Referenzwiderstand weist einen festen und definierten Widerstandswert auf und ist in den Strompfad des Heizelements 21 geschaltet. Das Schaltelement 22 ist vorteilhaft zwischen das Heizelement 21 und den Referenzwiderstand 27 ge schaltet. Die Ausgangsspannung V_St des Differenz- bzw. Operationsverstärkers 33 ist proportional zu dem durch das Heizelement 21 fließenden Strom oder steht in einer eindeutigen bekannten Bezie hung dazu.

Die Messwerte V_Sp und V_St werden an die elektronische Steuer einrichtung 1 5 übermittelt, die daraus, insbesondere mittels des Ohmschen Gesetzes, den Widerstand des Heizelements 21 berech- net und auf der Grundlage des ermittelten Widerstands das Schalt element 22 an- und ausschaltet und somit den Stromfluss durch das Heizelement 21 im Sinne einer angestrebten idealen Verdampfungs temperatur (Solltemperatur des Heizelements 21 ) regelt. Dies wird im Folgenden erläutert. Dabei wird davon ausgegangen , dass das Heizelement 21 ein PTC-Widerstand, d. h. ein Widerstand aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten ist. Grundsätzlich ist aber auch ein NTC-Widerstand möglich, das nachfolgend Gesagte gilt dann entsprechend .

In einer Ausführungsform der Erfindung ist in dem Datenspeicher ein oberer kritischer Widerstand R_co gespeichert. Wenn der ermittelte Widerstand RH des Heizelements 21 den oberen kritischen Wi derstands R_co erreicht oder überschreitet, wird der Stromfluss durch das Heizelement 21 für eine vorbestimmte Zeitspanne At ab geschaltet. Zu diesem Zweck setzt die Steuereinrichtung 1 5 die Steuerspannung V_GS beispielsweise auf Null, so dass das Schalt element 22 ausgeschaltet wird. Nach Ablauf der Zeitspanne At wird das Schaltelement 22 und dadurch der Stromfluss durch das Heizelement 21 durch Anlegen einer von Null verschiedenen Steuerspannung V_GS wieder eingeschaltet, bis der ermittelte Widerstand RH des Heizelements 21 den oberen kritischen Widerstands R_co erreicht und der Heizstrom erneut abgeschaltet wird.

I n einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in dem Da tenspeicher zusätzlich ein unterer kritischer Widerstand R_cu gespeichert. Wenn der ermittelte Widerstand RH des Heizelements 21 den oberen kritischen Widerstands R_co erreicht oder überschreitet, wird der Stromfluss durch das Heizelement 21 für eine vorbestimm tes Zeitintervall Ati, beispielsweise für ca. 2 ms, abgeschaltet und sodann für ein kurzes Messintervall Atm eingeschaltet, wobei Atm<<Ati, d. h. Atm ist mindestens um den Faktor 1 0 kleiner als Ati und ist beispielsweise kürzer oder gleich 100 ps.

I nnerhalb des Messintervalls Atm wird der Widerstand des Heizelements 21 bestimmt wie zuvor beschrieben. Wenn und solange der gemessene Widerstand RH des Heizelements 21 oberhalb des unte ren kritischen Widerstands R_cu liegt, wird der Stromfluss durch das Heizelement 21 wieder für eine vorbestimmtes Zeitintervall Ati aus geschaltet und dann die Messung periodisch wiederholt. Erst wenn der gemessene Widerstand RH des Heizelements 21 den unteren kritischen Widerstands R_cu erreicht oder unterschreitet, wird der Stromfluss durch das Heizelement 21 wieder eingeschaltet, und bleibt eingeschaltet, solange der gemessenen Widerstand des Heiz elements 21 unterhalb des oberen kritischen Widerstands liegt.

Vorzugsweise weist die Verdampfereinheit 20 bzw. der Verdampfer 60 eine Mehrzahl von parallel geschalteten Heizelementen 21 auf, siehe Figur 1 , wobei vorteilhaft jedem Heizelementen 21 eine eigene Messschaltung 1 9 zugeordnet ist. Sämtliche Heizelemente 21 werden vorteilhaft aus derselben Spannungsquelle 14 mit derselben Heizspannung VH betrieben . Die Heizspannung VH kann eine im Wesentlichen konstante Versorgungsspannung sein und beispielsweise der Batteriespannung , d. h . der Spannung der Energiequelle 14, oder einer daraus transformierten Spannung entsprechen.

Wie zuvor beschrieben , erfolgt die Steuerung bzw. Regelung des oder der Heizelemente 21 nicht durch Veränderung der Heizspan nung VH, sondern ausschließlich durch Aus- bzw. Einschalten des Schaltelements 22 und somit des Stromflusses durch das oder die Heizelemente 21 . Anstelle der zuvor beschriebenen Ausschaltregelung, d. h. Regelung der Heizertemperatur durch Ausschalten des Schaltelements 22 und damit des Stromflusses durch das Heizelement 21 kann alternativ eine Regelung mittels Pulsweitenmodulierung erfolgen .

Eine beispielhafte Ausführungsform mit vier Heizelementen 21 und vier entsprechenden Messchaltungen 1 9_1 ...4 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Figur 3 beschrieben. Dabei sei nur beispielhaft eine maximale Leistung von Pmax = 20 W und eine Batterie spannung von Vbat = 3,7 V vorgesehen. Aus der Soll-Leistung und der Batteriespannung ergibt sich ein Gesamtwiderstand der vier parallelen Heizdrähte 21 von RHges = 0,68 W bzw. ein Widerstand pro Heizdraht 21 von RH = 2,7 W. Bei einer Auslegung des Referenzwi derstands 27 von RS = 0,05 W gehen nur ca. 1 ,8 % der Batterieleistung für die Strommessung verloren. Zudem muss nur der temperaturabhängige Widerstand RH im Bereich von ca. 2,7 W gemessen werden und nicht der temperaturabhängige Gesamtwiderstand im Bereich von 0,68 W, sodass bei gleicher absoluter Genauigkeit eine vierfach höhere relative Genauigkeit und somit eine vierfach bessere Temperaturauflösung erreicht werden kann.

Ein lokaler Hot Spot könnte zudem deutlich früher erkannt werden, da die Temperatur nicht über die gesamte Heizerfläche gemittelt würde, sondern lediglich über ein Viertel der Fläche.

Bei einem System mit vier Heizelementen 21 muss die Steuerein richtung 1 5 bzw. der Mikrocontroller acht analoge Signale, nämlich vier gemessene Heizspannungen V_Sp_1 ...4 und vier gemessene Heizströme V_St_1 ...4 verarbeiten und vier Schaltelemente 22_1 , 22_2 , 22_3, 22_4 ansteuern, sodass mit den zwei Anschlüssen für die Batteriespannung ohne weitere Maßnahmen insgesamt vierzehn Anschlüsse erforderlich wären. I nsbesondere bei steckbaren Systemen mit einer Schnittstelle zwischen Verbrauchseinheit 1 7 (mit Verdampfereinheit 20) und Basis teil 16 (mit Steuereinrichtung 15) kann eine Reduktion der Kontakte vorteilhaft sein. Um dies zu erreichen, kann ein Multiplexer 36 in der Verbrauchseinheit 1 7 die genannten (beispielsweise acht) analogen Signale über einen Kontakt 37 bzw. eine Signalleitung 38 an einen Demultiplexer 39 im Basisteil 16 und von dort weiter an die Steuer einheit 1 5 leiten. In ähnlicher Weise kann ein Multiplexer 40 in der Basiseinheit 16 die (beispielsweise vier) Steuersignale (Gatesigna le) VGS 1 ...4 über einen Kontakt 42 bzw. eine Signalleitung 43 an einen Demultiplexer 41 und von dort an die (beispielsweise vier) steuerbaren Schaltelemente 22 weiterleiten. Ein System mit der minimalen Kontaktanzahl bestünde somit aus den zwei Batteriekontakten, einem analogen Messkontakt und zwei Steuerleitungen, so dass in Summe nur fünf Kontakte erforderlich sind. Der Multiplexer 40 kann mittels der beiden Steuerleitungen so ange steuert werden, dass die Batteriespannung zu den unterschiedlichen Kanälen durchgeschaltet wird. Dabei wird auch jeweils der gemessene Heizstrom V_St_1 ...4 auf die Messleitung geschaltet, um im Basisteil 16 mit einem Messverstärker, beispielsweise einem Diffe- renz- bzw. Operationsverstärker 29, 33, skaliert zu werden. An schließend kann der skalierte beziehungsweise verstärkte gemes sene Heizstrom V_St_1 ...4 in der Steuerungsvorrichtung 1 5 inter pretiert werden. Über die Steuerleitung kann via Aufbau eines Datenbusses, beispielsweise eines I2G-Busses, zusätzlich eine I D ausgelesen wer den.

Multiplexer 36 und Demultiplexer 41 können in einer Baueinheit bzw. als einheitlicher Multiplexer/Demultiplexer 36, 41 ausgeführt sein. Ebenso können Multiplexer 40 und Demultiplexer 39 in einer Baueinheit bzw. als einheitlicher Multiplexer/Demultiplexer 39, 40 ausgeführt sein.

Andere Multiplexer/Demultiplexer-Anordungen sind möglich. Beispielsweise können die (hier vier) gemessenen Spannungen V_Sp1 ...4 und die (hier vier) gemessenen Ströme V_St1 ...4 über jeweils eine eigene Leitung an die Steuereinrichtung 1 5 übertragen werden. In einer weiteren Ausführungsform können die (hier vier) gemessenen Spannungen V_Sp1 ...4, die (hier vier) gemessenen Ströme V_St1 ...4 und die (hier vier) Steuersignale über einzige Leitung übertragen werden, was die Zahl der Kontakte nochmal um eins reduziert. Weitere Anordnungen sind möglich. Entscheiden ist, dass mittels Multiplexern/Demultiplexern die Anzahl der Kontakte zwischen Basisteil und Verbrauchsteil erheblich reduziert werden kann.

Vorteilhaft ist die Messschaltung 1 9 so ausgelegt, dass über dem Schaltelement 22 und dem Referenzwiderstand 27 nur ein sehr ge ringer Anteil der Batteriespannung abfällt. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der Widerstandswert des Referenzwiderstands 27 klein (mindestens einen Faktor 10 kleiner) gewählt wird im Verhältnis zu den Widerständen des Heizelements 21 bzw. des Gesamtwiderstands der Heizelemente 21 . I n diesen Fall reicht es, mit der Spannungsmesseinrichtung 23 die Heizerspannung VH zu messen. Die Messung des Spannungsabfalls über jedem einzel nen Heizer 21 (Differenzverstärker 23 in der Figur 2) kann dann vorteilhaft entfallen und die Steuereinrichtung 15 muss bei vier Kanälen lediglich fünf analoge Signale verarbeiten.

Mit dem zuvor beschriebenen Aufbau lässt sich der Widerstand der Heizelemente 21 und somit deren mittlere Temperatur vorteilhaft zeitaufgelöst bestimmen , d. h . es findet eine Ermittlung von RH(t) oder kurz R(t) statt. Dies ermöglicht eine Kontrolle des Verdamp fungsvorgangs und wird im Folgenden anhand der Figure 4 bis 6 beispielhaft erläutert. Darin gezeigt sind Diagramme, in denen der von der Steuereinrichtung 1 5 ermittelte Widerstand RH(t) des Heiz elements (V_Sp/V_St) über der Zeit aufgetragen ist. Vorteilhaft er mittelt die Steuereinrichtung auch die zeitliche Ableitung der Funktion R(t) , d. h. dR(t)/dt oder gleichbedeutend damit dT(t)/dt.

Zum besseren Verständnis soll die Dynamik des Verdampfungsvor gangs qualitativ beschrieben werden. Die erzeugte Wärmeleistung beträgt UH^/R(t) . Ein Teil dieser Leistung führt zu einer Erwärmung des Heizdrahts 21 , ein weiterer Teil erwärmt über Wärmeleitung das umgebenden Liquid 50 und schließlich geht der dritte Teil über Wärmeleitung an den Enden des Heizdrahts 21 in das Substrat 26 verloren. Bei geeigneter Auslegung des Heizers 21 , insbesondere in Form eines relativ langen Drahts mit geringem Querschnitt, ist die ser dritte Teil vergleichsweise gering und wird in der folgenden Beschreibung vernachlässigt.

Zu Beginn des Verdampfungsvorgangs wird der Heizer 21 von der Umgebungstemperatur beginnend aufgeheizt. Bei trockenem oder teilweise trockenem Heizer 21 kann die Wärme nicht an das Liquid übertragen werden, der Wärmeübergang an die Umgebungsluft ist deutlich geringer als der an das Liquid. Dementsprechend geht bei trockenem oder teilweise trockenem Heizer 21 ein größerer Teil der Heizleistung in die Erhitzung des Drahts 21 . Dementsprechend ist die Aufheizrate dR(t)/dt bzw. dT(t)/dt gegenüber der idealen Konfiguration erhöht.

Somit kann die Auswertung der anfänglichen Aufheizrate d R(t)/dt bzw. dT(t)/dt genutzt werden, um die Benetzung des Heizers 21 zu überprüfen. Dies ist beispielhaft in Figur 4 dargestellt, wobei die Kurve 44 an einem trockenen Heizelement 21 ohne Liquidnachfüh- rung und die Kurve 45 an einem benetzten Heizelement 21 mit Li- quidnachführung gemessen wurde. Der Widerstand des trockenen Heizers 21 (Kurve 44) ändert sich innerhalb der ersten 10 ms von 1 0 W auf 14 W, also um 40%, während der Widerstand des benetzten Heizers 21 (Kurve 45) nur von 1 0 W auf 1 1 W, also um 1 0% steigt. Dementsprechend hat der trockene Heizer 21 anfänglich eine ca. vierfache höhere Aufheizrate.

Wenn die Temperatur des den Heizer 21 umgebenden Liquids die Verdampfungstemperatur erreicht, steigt der relative Anteil des Wärmeübertrags in das Liquid sprungartig an . Dieser Sprung äußert sich in einer sprunghaften Reduktion der Aufheizrate dT(t)/dt. Falls die Heizleistung nicht zu hoch ist, fällt die Aufheizrate auf null und es ergibt sich ein zeitlich konstanter Widerstand (zeitlich konstante Temperatur). Somit kann der der Verdampfungstemperatur entsprechende Widerstand R(Tv _erdampfung ) ohne weitere Kenntnis des Liquids oder der Heizercharakteristik ermittelt werden . Mögliche Fertigungstoleranzen des Heizers 21 oder Messfehler durch zu hohe Kontakt widerstände des Heizers 21 können so korrigiert werden. Dieser Effekt ist ebenfalls in Figur 4 zu erkennen, nämlich an dem Plateau der Kurve 45 im Bereich zwischen 95 ms und 1 70 ms. Der Verdamp- fungswiderstand für den benetzten Heizer ist hier beispielsweise

R(Tverdampfung) ⁼ 1 2 , 5 W .

Im Laufe der Entleerung des Liquidreservoirs 18 durch Verdampfung des Liquids 50 besteht die Gefahr der Anreicherung höher siedender Komponenten des Liquids im verbleibendem Liquid. Die oben be schriebene Bestimmung des Verdampfungswiderstands R(Tverdam - _fung ) kann diesen Prozess messtechnisch erfassen , da die Verdamp fungstemperatur im Laufe der Entleerung des Liquidreservoirs 1 8 ansteigt. Die so erlangte Erkenntnis über die veränderte Zusammensetzung des Liquids kann genutzt werden , um die Verdampfungsparameter (insbesondere die Schwellwerte R_co bzw. R_cu des Heizerwiderstands) anzupassen, oder bei Überschreiten eines voreingestellten Werts für die Verdampfungstemperatur die Kartusche als leer zu bewerten und eine weitere Verdampfung zu unter binden.

I n Figur 5 sind beispielhaft die Aufheizkurven zweier unterschiedlicher Liquide dargestellt. Die obere Kurve entspricht einem ersten Liquid und Parametern R_co = 14 W, R_cu = 1 3 W, VH = 9 V. Die untere Kurve entspricht einem zweiten Liquid und Parametern R_co = 14 W, R_cu = 1 3 W, VH = 8 V. Der Knick in der Aufheizkurve befindet sich bei unterschiedlichen Widerständen, nämlich bei ca. 12,4 W bei der unteren Kurve und ca. 1 2,7 W bei der oberen Kurve.

Bei ungenügender Nachförderung des Liquids beispielsweise auf grund verstopfter Poren von kapillarem Material, erhöhter Viskosität des Liquids aufgrund niedriger Umgebungstemperatur oder eines erhöhten Anteils hochviskoser Komponenten (Glycerin) oder bei zu hoher Heizerleistung kann es zu Bildung großer Dampfblasen unterhalb des Heizers 21 kommen. Dies führt zu einem geringen Kontakt zwischen Heizer 21 und Liquid, dementsprechend erfolgt die Aufhei zung zwischen unterem Schwellwert R_cu und oberen Schwellwert R_co schneller als im Idealfall. Die Überprüfung der Aufheizzeit zwischen den Sehwellwerten gibt somit Aufschluss über das Vorhan densein großer, signifikante Anteile der Heizerfläche überdeckender Dampfblasen. Diese Erkenntnis kann zur Reduktion der Heizleistung über die Anpassung der Heizerparameter (insbesondere Schwellwerte R_cu bzw. R_co), zur Abschaltung des betroffenen Heizers 21 bzw. Heizerkanals im Falle mehrerer Heizelemente 21 , und/oder zu einer Fehlermeldung führen.

Ein solcher Effekt ist in Figur 5 sichtbar. Die obere Kurve zeigt nach ca. 400 ms einen steilen Anstieg, der auf eine lokale Gasblase bzw. ein lokales Austrocknen hinweist. Danach setzt die Regelung ein. In diesem Fall benetzt der Heizer 21 nicht wieder vollständig , was an den nachfolgenden steilen Aufheizphasen zu sehen ist. In diesem Fall sind die vorgenannten Gegenmaßnahmen angezeigt.

Während der Wert für die obere Widerstandsschwelle R_co durch die Zersetzungstemperatur des Liquids oder durch die maximale Nachförderrate des Heizers 21 festgelegt ist, kann die untere Schwelle R_cu in einem weiten Bereich frei eingestellt werden. In Figur 6 ist hierfür ein Beispiel gezeigt. Die obere Kurve entspricht Parametern R_co = 13 W, R_cu = 12 0. Die untere Kurve entspricht Parametern R_co = 13 0, R_cu = 1 1 0. Bei der unteren Kurve mit der niedrigeren Schwelle R_cu befindet sich ein geringerer Anteil der Zug- oder Puffdauer im Temperaturbereich einer effektiven Verdampfung. Daher resultiert hier insgesamt eine geringere gemittelte· Dampfmenge. Dementsprechend kann die untere Schwelle R_cu zur Einstellung der Dampfmenge genutzt werden.