СИСТЕМА, ГЕНЕРИРУЮЩАЯ АЭРОЗОЛЬ, С УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПОТОКОМ ВОЗДУХА
AEROSOL-GENERATING SYSTEM WITH IMPROVED AIR FLOW CONTROL

Настоящее изобретение относится к системам, генерирующим аэрозоль, которые содержат нагревательный узел, который подходит для испарения жидкости, впитанной из капиллярной среды. В частности, настоящее изобретение относится к удерживаемым рукой системам, генерирующим аэрозоль, таким как электроуправляемые курительные системы.
Одним типом системы, генерирующей аэрозоль, является электроуправляемая курительная система. Известны удерживаемые рукой электроуправляемые курительные системы, состоящие из части в виде устройства, содержащей батарею и управляющую электронику, и части в виде картриджа, содержащей источник субстрата, образующего аэрозоль, и электроуправляемый испаритель. Картридж, содержащий как источник субстрата, образующего аэрозоль, так и испаритель, иногда называют «картомайзером». Испаритель, как правило, содержит обмотку из проволоки нагревателя, намотанную на удлиненный фитиль, пропитанный жидким субстратом, образующим аэрозоль. Часть в виде картриджа, как правило, содержит не только источник подачи субстрата, образующего аэрозоль, и электроуправляемый испаритель, но также мундштук, через который при использовании пользователь производит всасывание для втягивания аэрозоля в свой рот.
Настоящее изобретение относится к системе, генерирующей аэрозоль, которая предоставляет улучшенное образование аэрозоля и лучший рост капель аэрозоля, и которая не допускает возникновения горячих точек, особенно в средней части нагревательного узла.
Желательно предусмотреть систему, генерирующую аэрозоль, которая улучшает поток воздуха по поверхности нагревательного узла, способствуя смешиванию летучих паров. Также желательно предусмотреть систему, генерирующую аэрозоль, которая ускоряет перенос потоком воздуха аэрозоля от нагревательного узла к мундштуку, тем самым дополнительно улучшая образование аэрозоля за счет ускоренного охлаждения летучих паров. В вариантах осуществления усовершенствованное смешивание и ускорение потока воздуха достигается за счет турбулентности и завихрений.
Согласно настоящему изобретению предусмотрена система, генерирующая аэрозоль, содержащая часть для хранения жидкости, содержащую корпус, удерживающий жидкий субстрат, образующий аэрозоль, и капиллярную среду, причем в корпусе предусмотрено отверстие. Проницаемый для жидкости нагревательный узел, содержащий комбинацию электропроводящих нитей, выполненную с образованием поверхности столкновения с воздухом, при этом проницаемый для жидкости нагревательный узел проходит поперек отверстия корпуса, и при этом в комбинации нитей предусмотрено отверстие в нитях, позволяющее потоку воздуха проходить через него. Капиллярная среда находится в контакте с нагревательным узлом; Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, втягивается через капиллярную среду в комбинацию электропроводящих нитей. Капиллярная среда содержит отверстие капиллярной среды, являющееся проходящим через капиллярную среду продолжением отверстия в нитях.
Настоящее изобретение также относится к способу изготовления картриджа для использования в электроуправляемой системе, генерирующей аэрозоль, включающему этапы предоставления части для хранения жидкости, содержащей корпус, в котором предусмотрено отверстие, предоставления капиллярного материала внутри части для хранения жидкости, заполнения части для хранения жидкости жидким субстратом, образующим аэрозоль, и предоставления проницаемого для жидкости нагревательного узла, содержащего комбинацию электропроводящих нитей, выполненную с образованием поверхности столкновения с воздухом, причем проницаемый для жидкости нагревательный узел проходит поперек отверстия корпуса, и при этом в комбинации нитей предусмотрено отверстие в нитях, позволяющее проходить потоку воздуха. Капиллярная среда находится в контакте с нагревательным узлом, и при этом капиллярная среда содержит отверстие капиллярной среды, позволяющее потоку воздуха проходить через капиллярную среду.
Предоставление нагревательного узла, который проходит поперек отверстия части для хранения жидкости, обеспечивает надежную конструкцию, которая является относительно простой для изготовления. Данная компоновка обеспечивает большую площадь контакта между нагревательным узлом и жидким субстратом, образующим аэрозоль. Корпус может являться жестким корпусом. В контексте настоящего документа «жесткий корпус» означает корпус, который является самонесущим. Жесткий корпус части для хранения жидкости предпочтительно предоставляет механическую опору для нагревательного узла.
Нагревательный узел может являться по существу плоским, что обеспечивает простое изготовление. В контексте настоящего документа «по существу плоский» означает «образованный первоначально в одной плоскости и не обернутый вокруг, или не приспособленный иным образом для соответствия изогнутой или иной неплоской форме». В геометрическом смысле термин «по существу плоская» комбинация электропроводящих нитей используется для обозначения комбинации электропроводящих нитей, которая имеет форму по существу двухмерного топологического контура или профиля. Таким образом, по существу плоская комбинация электропроводящих нитей проходит по существу больше в двух измерениях вдоль поверхности, чем в третьем измерении. В частности, размеры по существу плоской комбинации нитей в двух измерениях в пределах поверхности по меньшей мере в 5 раз превышают размер в третьем измерении, перпендикулярном поверхности. Примером по существу плоской комбинации нитей является структура между двумя по существу воображаемыми параллельными поверхностями, где расстояние между этими двумя воображаемыми поверхностями по существу меньше, чем протяженность в пределах плоскостей.
Термин «нить» используется по всему настоящему описанию для обозначения электрического тракта, расположенного между двумя электрическими контактами. Нить может произвольным образом разветвляться и расходиться на несколько трактов или нитей соответственно, либо несколько электрических трактов могут сходиться в ней в один тракт. Форма поперечного сечения нити может быть круглой, квадратной, плоской или любой другой. Нить может быть расположена прямолинейным или криволинейным образом.
Фразы «комбинация нитей» или «комбинация из нитей» используются по всему настоящему описанию взаимозаменяемо для обозначения комбинации из множества нитей. Комбинация нитей может представлять собой решетку из нитей, например, расположенных параллельно друг другу. Нити могут образовывать сетку. Сетка может быть тканой или нетканой. По всему настоящему описанию поверхность комбинации нитей, которая контактирует с потоком воздуха, также называется «поверхностью столкновения с воздухом» комбинации нитей.
Электропроводящие нити могут образовывать промежутки между нитями, и при этом промежутки могут иметь ширину от 10 микрометров до 100 микрометров. Предпочтительно, нити создают капиллярный эффект в промежутках, так что при применении жидкость, подлежащая испарению, втягивается в промежутки, увеличивая площадь контакта между нагревательным узлом и жидкостью.
За счет снабжения комбинации нитей множеством промежутков, чтобы позволить жидкости проходить через комбинацию нитей, комбинация нитей является проницаемой для жидкости. Это означает, что субстрат, образующий аэрозоль, в газообразной фазе и, возможно, в жидкой фазе может легко проходить через комбинацию нитей и, таким образом, нагревательный узел.
По существу плоская комбинация нитей выполнена с возможностью корректирования потока воздуха вблизи поверхности столкновения с воздухом. Это делается путем создания турбулентностей и завихрений, что способствует смешиванию летучих паров и ведет к усовершенствованному образованию аэрозоля.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения комбинация нитей может иметь плоскую форму с образованием плоской поверхности столкновения с воздухом.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения изначально по существу плоскую комбинацию из нитей деформируют, формуют или иным образом видоизменяют для образования комбинации из нитей, которая определяет неплоскую поверхность столкновения с воздухом. В варианте осуществления изначально по существу плоская комбинация нитей выполнена таким образом, что она изогнута в одном или более измерениях, например, с образованием выпуклой или куполообразной формы, вогнутой формы, формы моста или формы циклона или воронки. В варианте осуществления комбинация нитей образует вогнутую поверхность, обращенную к потоку воздуха, который поступает и сталкивается с комбинацией нитей. За счет неплоской формы комбинации нитей в потоке воздуха, поступающем на комбинацию нитей, возникают турбулентности и завихрения. Расположение и форма комбинации нитей подобраны таким образом, что поток воздуха, проводимый к поверхности столкновения с воздухом комбинации нитей, завихряется вблизи поверхности столкновения с воздухом.
В комбинации нитей образовано отверстие в нитях, позволяющее проходить потоку воздуха. Отверстие капиллярной среды может представлять собой продолжение отверстия в нитях для формирования воздушного канала через капиллярную среду. Расположение и форма комбинации нитей, отверстия в нитях и отверстия капиллярной среды имеют такие размеры и подобраны таким образом, что поток воздуха, проводимый к поверхности столкновения с воздухом комбинации нитей, завихряется вблизи поверхности столкновения с воздухом.
Отверстие в нитях имеет по существу больший размер, чем промежутки между нитями комбинации нитей. «По существу больше» означает, что отверстие в нитях покрывает площадь, которая по меньшей мере в 5 раз больше, или по меньшей мере в 10 раз больше, или по меньшей мере в 50 раз больше, или по меньшей мере в 100 раз больше площади промежутка между двумя нитями. Отношение площади отверстия в нитях к площади поперечного сечения комбинации нитей, включающей отверстие в нитях, может составлять по меньшей мере 1 процент, или по меньшей мере 2 процента, или по меньшей мере 3 процента, или по меньшей мере 4 процента, или по меньшей мере 5 процентов, или по меньшей мере 10 процентов, или по меньшей мере 25 процентов.
Расположение отверстия в нитях по существу может соответствовать расположению отверстия капиллярной среды. Форма и размер поперечного сечения отверстия в нитях могут повторять форму и размер поперечного сечения отверстия капиллярной среды.
Нагревательный узел и капиллярная среда могут быть расположены в системе, генерирующей аэрозоль, таким образом, чтобы по меньшей мере часть потока воздуха, который поступает на поверхность столкновения с воздухом комбинации нитей, проводилась по воздушному каналу, образованному отверстием капиллярной среды, через капиллярную среду. Поток воздуха через воздушный канал ускоряется за счет всасывающего действия воздушного канала, благодаря чему улучшается образование аэрозоля за счет ускоренного охлаждения летучих паров.
Альтернативно нагревательный узел и капиллярная среда могут быть расположены в системе, генерирующей аэрозоль, таким образом, чтобы поток воздуха, который поступает на поверхность столкновения с воздухом комбинации нитей, проводился по воздушному каналу, образованному отверстием капиллярной среды, через капиллярную среду.
Электропроводящие нити могут образовывать сетку, размером от 160 до 600 меш по стандарту США (+/- 10 процентов) (т. е. от 160 до 600 нитей на дюйм (+/- 10 процентов)). Ширина промежутков предпочтительно составляет от 25 микрометров до 75 микрометров. Доля в процентах открытой площади сетки, которая является отношением площади промежутков к общей площади сетки, предпочтительно составляет от 25 процентов до 56 процентов. Сетка может быть образована с использованием различных типов плетеных или решетчатых структур. В качестве альтернативы электропроводящие нити представляют собой решетку из нитей, расположенных параллельно друг другу. Сетка, решетка или тканое полотно из электропроводящих нитей также могут характеризоваться своей способностью удерживать жидкость, как хорошо известно в данной области техники.
Электропроводящие нити могут иметь диаметр от 10 микрометров до 100 микрометров, предпочтительно - от 8 микрометров до 50 микрометров и более предпочтительно - от 8 микрометров до 39 микрометров. Нити могут иметь круглое поперечное сечение, или могут иметь сплющенное поперечное сечение.
2
Площадь сетки, решетки или тканого полотна из электропроводящих нитей может быть небольшой, предпочтительно равной 25 или менее миллиметрам квадратным, что позволит поместить ее в удерживаемую рукой систему. Сетка, решетка или тканое полотно из электропроводящих нитей может иметь, например, форму круга с диаметром от 3 миллиметров до 10 миллиметров, предпочтительно 5 миллиметров. Сетка также может быть прямоугольной и, например, характеризоваться размерами, составляющими 5 мм на 2 мм. Предпочтительно, сетка или решетка из электропроводящих нитей покрывает площадь, составляющую от 10 процентов до 50 процентов площади нагревательного узла. Более предпочтительно, сетка или решетка из электропроводящих нитей покрывает площадь, составляющую от 15 процентов до 25 процентов площади нагревательного узла. Использование размеров сетки, решетки или тканого полотна из электропроводящих нитей, равных 10 процентам и 50 процентам площади, или равных 25 или менее мм, снижает величину общей мощности, необходимой для нагрева сетки, решетки или тканого полотна из электропроводящих нитей, при этом все еще обеспечивая достаточный контакт сетки, решетки или тканого полотна из электропроводящих нитей с жидкостью, предоставляемой одной или более капиллярными средами для ее испарения.
Нити нагревателя могут быть образованы путем травления листового материала, такого как фольга. Это может быть особенно преимущественным в том случае, если нагревательный узел содержит решетку из параллельных нитей. Если нагревательный узел содержит сетку или тканое полотно из нитей, нити могут быть получены по отдельности и связаны вместе. В качестве альтернативы нити нагревателя могут быть отштампованы из электропроводящей фольги, например, из нержавеющей стали.
Нити нагревательного узла могут быть образованы из любого материала с подходящими электрическими свойствами. Подходящие материалы включают, но без ограничения: полупроводники, такие как легированная керамика, «проводящая» ток керамика (например такая, как дисилицид молибдена), углерод, графит, металлы, сплавы металлов и композитные материалы, изготовленные из керамического материала и металлического материала. Такие композитные материалы могут содержать легированную или нелегированную керамику. Примеры подходящей легированной керамики включают легированные карбиды кремния. Примеры подходящих металлов включают титан, цирконий, тантал и металлы платиновой группы. Примеры подходящих сплавов металлов включают нержавеющую сталь, константан, никель-, кобальт-, хром-, алюминий-, титан-, цирконий-, гафний-, ниобий-, молибден-, тантал-, вольфрам-, олово-, галлий-, марганец- и железосодержащие сплавы, а также суперсплавы на основе никеля, железа, кобальта, нержавеющей стали, Timetal, сплавы на основе железа и алюминия и сплавы на основе железа, марганца и алюминия. Timetal представляет собой зарегистрированную торговую марку компании Titanium Metals Corporation. Нити могут быть покрыты одним или несколькими изоляторами. Предпочтительными материалами для электропроводящих нитей являются нержавеющие стали марок 304, 316, 304L, 316L и графит. Кроме того, комбинация электропроводящих нитей может содержать сочетания вышеописанных материалов. Сочетание материалов может также использоваться для улучшения управления сопротивлением по существу плоской комбинации нитей. Например, материалы с высоким собственным удельным сопротивлением могут комбинироваться с материалами с низким собственным удельным сопротивлением. Это может обеспечить преимущество в том случае, если один из материалов является более предпочтительным по другим причинам, например, из-за стоимости, обрабатываемости или других физических и химических параметров. Преимущественно, по существу плоская комбинация нитей с увеличенным сопротивлением снижает паразитные потери. Преимущественно, нагреватели с высоким удельным сопротивлением обеспечивают более эффективное использование энергии батареи. Энергия батареи пропорционально разделяется на энергию, потерянную на печатной плате и контактах, и энергию, поданную на комбинацию электропроводящих нитей. Таким образом, энергия, доступная для комбинации электропроводящих нитей в нагревателе, тем больше, чем выше сопротивление комбинации электропроводящих нитей.
В качестве альтернативы комбинация электропроводящих нитей может быть образована из ткани из углеродных нитей. Ткань из углеродных нитей имеет преимущество в том, что она, как правило, является более экономически эффективной, чем металлические нагреватели с высоким удельным сопротивлением. Также, ткань из углеродных нитей, как правило, является более гибкой, чем металлическая сетка. Еще одним преимуществом является то, что контакт между тканью из углеродных нитей и транспортной средой, такой как материал с высокой высвобождающей способностью, может быть хорошо сохранен во время сборки проницаемого для жидкости нагревательного узла.
Надежный контакт между проницаемым для жидкости нагревательным узлом и транспортной средой, например, капиллярной транспортной средой, такой как фитиль, изготовленный из волокон или пористого керамического материала, улучшает непрерывное смачивание проницаемого для жидкости нагревательного узла. Это преимущественно снижает вероятность перегрева комбинации электропроводящих нитей и самопроизвольного термического разложения жидкости.
Нагревательный узел может содержать электроизоляционный субстрат, на котором поддерживаются нити. Электроизоляционный субстрат может представлять собой любой подходящий материал, и предпочтительно представляет собой материал, который способен выдерживать высокие температуры (свыше 300 градусов Цельсия) и резкие изменения температуры. Примером подходящего материала является полиимидная пленка, такая как Kapton. В электроизолирующей подложке может быть предусмотрено образованное в ней отверстие с проходящими поперек этого отверстия электропроводящими нитями. Нагревательный узел может содержать электрические контакты, соединенные с электропроводящими нитями. Например, электрические контакты могут быть приклеены, приварены или механически прикреплены к комбинации электропроводящих нитей. В качестве альтернативы комбинация электропроводящих нитей может быть напечатана на электроизоляционном субстрате, например, с использованием металлических чернил. В такой комбинации электроизоляционный субстрат предпочтительно является пористым материалом, так что комбинация электропроводящих нитей может быть нанесена непосредственно на поверхность пористого материала. Предпочтительно, в таком варианте осуществления пористость субстрата выполняет функцию «отверстия» электроизоляционного субстрата, через которое жидкость может быть втянута в направлении комбинации электропроводящих нитей.
Электрическое сопротивление сетки, решетки или тканого полотна из электропроводящих нитей комбинации нитей предпочтительно составляет от 0,3 Ом до 4 Ом. Более предпочтительно, электрическое сопротивление сетки, решетки или тканого полотна из электропроводящих нитей составляет от 0,5 Ом до 3 Ом, а еще более предпочтительно - приблизительно 1 Ом. Электрическое сопротивление сетки, решетки или тканого полотна из электропроводящих нитей предпочтительно по меньшей мере на порядок, и более предпочтительно ― по меньшей мере на два порядка превышает электрическое сопротивление контактных частей. Это обеспечивает локализацию тепла, выработанного за счет прохождения тока через комбинацию нитей, на сетке или решетке из электропроводящих нитей. Низкое общее сопротивление комбинации нитей является преимущественным, если система получает питание от батареи. Система с низким сопротивлением и большим током обеспечивает возможность подачи высокой мощности на комбинацию нитей. Это позволяет комбинации нитей быстро нагревать электропроводящие нити до необходимой температуры.
Первая и вторая электропроводящие контактные части могут быть прикреплены непосредственно к электропроводящим нитям. Контактные части могут быть расположены между электропроводящими нитями и электроизоляционным субстратом. Например, контактные части могут быть образованы из медной фольги, которая нанесена на изолирующий субстрат. Контактные части также могут быть более просто связаны с нитями, чем изолирующий субстрат.
В некоторых вариантах осуществления первая электропроводящая контактная часть может быть размещена на линии внутренней границы между комбинацией нитей и отверстием в нитях. Первая электропроводящая контактная часть может быть проведена через отверстие капиллярной среды. Вторая электропроводящая контактная часть может быть размещена на линии внешней границы комбинации нитей.
В качестве альтернативы или дополнения, первая и вторая электропроводящие контактные части могут являться одним целым с электропроводящими нитями. Например, комбинация нитей может быть образована путем травления проводящего листа для предоставления множества нитей между двумя контактными частями.
Корпус части для хранения жидкости содержит капиллярную среду. Капиллярная среда представляет собой материал, который активно подводит жидкость от одного конца материала к другому. Капиллярная среда преимущественно ориентирована в корпусе таким образом, чтобы подводить жидкость в нагревательный узел.
Капиллярная среда может иметь волокнистую или губчатую структуру. Капиллярная среда предпочтительно содержит пучок капилляров. Например, капиллярная среда может содержать множество волокон, или нитей, или других трубок с тонкими каналами. Волокна или нити могут быть, в целом, расположены для подведения жидкости в нагреватель. В качестве альтернативы, капиллярная среда может содержать губкообразный или пенообразный материал. Структура капиллярной среды образует множество небольших каналов или трубок, через которые жидкость может быть перемещена за счет капиллярного эффекта. Капиллярная среда может состоять из любого подходящего материала или сочетания материалов. Примерами подходящих материалов являются губчатый или вспененный материал, материалы на основе керамики или графита в виде волокон или спеченных порошков, вспененный металлический или пластмассовый материал, волоконный материал, выполненный, например, из крученых или экструдированных волокон, таких как ацетилцеллюлозные, сложнополиэфирные или связанные полиолефиновые, полиэтиленовые, териленовые или полипропиленовые волокна, нейлоновые волокна или керамика. Капиллярная среда может характеризоваться любыми подходящими капиллярностью и пористостью, позволяющими использовать ее с жидкостями, имеющими различные физические свойства. Жидкость характеризуется физическими свойствами, включающими в себя, но без ограничения, вязкость, поверхностное натяжение, плотность, теплопроводность, температуру кипения и давление пара, которые обеспечивают возможность транспортировки жидкости через капиллярное устройство за счет капиллярного эффекта.
Капиллярная среда находится в контакте с электропроводящими нитями. Капиллярная среда может проходить внутрь промежутков между нитями. Нагревательный узел может втягивать жидкий субстрат, образующий аэрозоль, внутрь промежутков за счет капиллярного эффекта. Капиллярная среда может находиться в контакте с электропроводящими нитями по существу на всем протяжении отверстия. В одном варианте осуществления капиллярная среда, находящаяся в контакте с комбинацией электропроводящих нитей, может представлять собой нитчатый фитиль.
Преимущественно, нагревательный узел и капиллярная среда могут иметь такой размер, чтобы иметь примерно одинаковую площадь. В контексте данного документа «примерно» означает, что размер нагревательного узла может превышать размер капиллярной среды на 0-15 процентов. Форма нагревательного узла может быть также подобна форме капиллярной среды, так что агрегат в сборе и материал по существу совмещаются друг с другом. Если агрегат в сборе и материал имеют по существу схожие размер и форму, изготовление может быть упрощено, а надежность процесса изготовления улучшена. Как описывается далее, капиллярная среда может содержать две или более капиллярных среды, включая один или более слоев капиллярной среды, находящихся в непосредственном контакте с сеткой, решеткой или тканым полотном из электропроводящих нитей нагревательного узла, для способствования образованию аэрозоля. Капиллярные среды могут содержать материалы, описанные в данном документе.
По меньшей мере одна из капиллярных сред может иметь достаточный объем для обеспечения наличия минимального количества жидкости в указанной капиллярной среде для предотвращения «сухого нагрева», который происходит, если на капиллярную среду, находящуюся в контакте с сеткой, решеткой или тканым полотном из электропроводящих нитей, подается недостаточное количество жидкости. Минимальный объем указанной капиллярной среды может быть предоставлен для обеспечения 20-40 затяжек пользователем. Средняя масса жидкости, испаряемой во время затяжки длительностью 1-4 секунд, как правило, составляет 1-4 миллиграммов жидкости. Таким образом, предоставление по меньшей мере одной капиллярной среды, характеризующейся способностью удерживать массу в 20-160 миллиграммов жидкости, содержащей субстрат, образующий жидкость, может предотвратить сухой нагрев.
В качестве капиллярной среды корпус может содержать два или более различных материалов, при этом первая капиллярная среда, находящаяся в контакте с комбинацией нитей, характеризуется более высокой температурой термического разложения, а вторая капиллярная среда, находящаяся в контакте с первой капиллярной средой, но не находящаяся в контакте с комбинацией нитей, характеризуется более низкой температурой термического разложения. Первая капиллярная среда эффективно действует как разделитель, отделяющий комбинацию нитей от второй капиллярной среды, так что вторая капиллярная среда не подвергается воздействию температур, превышающих температуру ее термического разложения. В контексте настоящего документа «температура термического разложения» означает температуру, при которой материал начинает разлагаться и терять массу в результате генерирования газообразных побочных продуктов. Вторая капиллярная среда может преимущественно занимать больший объем, чем первая капиллярная среда, и может удерживать большее количество субстрата, образующего аэрозоль, чем первая капиллярная среда. Вторая капиллярная среда может иметь лучшие фитильные свойства по сравнению с первой капиллярной средой. Вторая капиллярная среда может быть дешевле первой капиллярной среды. Вторая капиллярная среда может представлять собой полипропилен.
Первая капиллярная среда может отделять нагревательный узел от второй капиллярной среды расстоянием, составляющим по меньшей мере 1,5 миллиметра, и предпочтительно от 1,5 миллиметра до 2 миллиметров, с целью обеспечения достаточного падения температуры на первой капиллярной среде.
Размер и расположение отверстия капиллярной среды может быть выбрано, исходя из характеристик потока воздуха системы, генерирующей аэрозоль, или исходя из температурного профиля нагревательного узла, или исходя из того и другого. Расположение и форма отверстия капиллярной среды подобраны таким образом, что поток воздуха, проводимый к поверхности столкновения с воздухом комбинации нитей, завихряется вблизи поверхности столкновения с воздухом. В некоторых вариантах осуществления отверстие капиллярной среды может быть расположено вблизи центра поперечного сечения капиллярной среды. Предпочтительно, отверстие капиллярной среды расположено в центре поперечного сечения капиллярной среды. Предпочтительно, капиллярная среда имеет цилиндрическую форму. Предпочтительно, воздушный канал в виде отверстия капиллярной среды имеет цилиндрическую форму.
Термин «вблизи центра поперечного сечения капиллярной среды» относится к центральной части поперечного сечения капиллярной среды, которая отстоит от периферии капиллярной среды и имеет площадь, которая меньше общей площади поперечного сечения капиллярной среды. Например, центральная часть может иметь площадь менее приблизительно 80 процентов, менее приблизительно 60 процентов, менее приблизительно 40 процентов, или менее приблизительно 20 процентов общей площади поперечного сечения капиллярной среды.
Отверстие в нитях может быть расположено в центральной части комбинации нитей, причем отверстие капиллярной среды является продолжением отверстия в нитях с образованием воздушного канала, проходящего через капиллярную среду. В этом случае через комбинацию нитей в центре комбинации нитей проходит больше аэрозоля. Это является преимущественным в системах, генерирующих аэрозоль, в которых центр комбинации нитей представляет собой самую важную область испарения, например в системах, генерирующих аэрозоль, в которых температура нагревательного узла является более высокой в центре комбинации нитей. Расположение и форма комбинации нитей, отверстия в нитях и отверстия капиллярной среды подобраны таким образом, что поток воздуха, проводимый к поверхности столкновения с воздухом комбинации нитей, завихряется вблизи поверхности столкновения с воздухом.
В контексте настоящего документа термин «центральная часть» комбинации нитей относится к части комбинации нитей, которая расположена вдали от периферии комбинации нитей и имеет площадь, которая меньше общей площади комбинации нитей. Например, центральная часть может иметь площадь, составляющую менее приблизительно 80 процентов, менее приблизительно 60 процентов, менее приблизительно 40 процентов, или менее приблизительно 20 процентов общей площади комбинации нитей.
Впускное отверстие для воздуха системы, генерирующей аэрозоль, может быть расположено в главном корпусе системы. Окружающий воздух направляется в систему и проводится к поверхности столкновения с воздухом нагревательного узла. Воздушный поток, поступающий на поверхность столкновения с воздухом нагревательного узла, проводится по воздушному каналу, образованному отверстием капиллярной среды. Поток воздуха увлекает аэрозоли, образуемые в результате нагревания субстрата, образующего аэрозоль, на поверхность нагревательного узла. Воздух, содержащий аэрозоль, может быть затем проведен вдоль картриджа между корпусом картриджа и главным корпусом на расположенный ниже по потоку конец системы, где он смешивается с окружающим воздухом из дополнительного маршрута потока (либо до, либо по достижении расположенного ниже по потоку конца). Проведение аэрозоля через воздушный канал ускоряет поток воздуха, благодаря чему улучшается образование аэрозоля за счет ускоренного охлаждения.
Впускные отверстия для воздуха могут быть предусмотрены на боковых стенках главного корпуса системы таким образом, чтобы окружающий воздух мог быть втянут в направлении нагревательного элемента под углом примерно или не более 90° по отношению к воздушному каналу, образованному отверстием капиллярной среды. Таким образом, по меньшей мере большая часть потока воздуха проводится по существу параллельно вдоль поверхности столкновения с воздухом нагревательного узла, и затем перенаправляется в воздушный канал, образованный капиллярной средой. За счет особого маршрута потока воздуха согласно настоящему изобретению, в потоке воздуха создаются турбулентности и завихрения, которые эффективно распространяют пары аэрозоля. Кроме того, скорость охлаждения может быть увеличена, что также может способствовать образованию аэрозоля.
Окружающий воздух также может быть проведен через воздушный канал к поверхности нагревательного узла, т.е. направление потока воздуха является обратным относительно предпочтительного направления потока воздуха. Также в данном варианте осуществления проведение окружающего воздуха через воздушный канал ускоряет поток воздуха, тем самым улучшая образование аэрозоля.
Впускное отверстие второго канала, расположенного в области дальнего конца корпуса картриджа, может быть также предоставлено в альтернативной системе, в которой нагревательный элемент расположен на ближнем конце картриджа. Второй маршрут потока может проходить не только снаружи картриджа, но также через картридж. Затем окружающий воздух попадает в картридж через полуоткрытую стенку картриджа, проходит через картридж и выходит из картриджа путем прохождения через нагревательный элемент, расположенный на ближнем конце картриджа. Таким образом, окружающий воздух может проходить через субстрат, образующий аэрозоль, или через один или несколько каналов, расположенных в твердом субстрате, образующем аэрозоль, так что окружающий воздух не проходит через сам субстрат, но проходит через каналы рядом с субстратом.
Для обеспечения попадания окружающего воздуха в картридж, по меньшей мере одно полуоткрытое впускное отверстие предоставлено в стенке корпуса картриджа, предпочтительно в стенке напротив нагревательного элемента, предпочтительно в нижней стенке. Полуоткрытое впускное отверстие обеспечивает попадание воздуха в картридж, но ни воздух, ни жидкость не выходят из картриджа через полуоткрытое впускное отверстие. Полуоткрытое впускное отверстие может являться, например, полупроницаемой мембраной, проницаемой только для воздуха в одном направлении, но непроницаемой для воздуха и жидкости в противоположном направлении. Полуоткрытое впускное отверстие может также являться, например, обратным клапаном. Предпочтительно, полуоткрытые впускные отверстия обеспечивают прохождение воздуха через впускное отверстие только при соблюдении конкретных условий, например, минимального понижения давления в картридже или объема воздуха, проходящего через клапан или мембрану.
Такие обратные клапаны могут являться, например, коммерчески доступными клапанами, такими как, например, используемые в медицинских устройствах, например, LMS Mediflow One-Way, LMS SureFlow One-Way или LMS Check Valves (перекрестные мембраны). Подходящими мембранами для применения совместно с картриджем, через который проходит поток воздуха, являются, например, вентилируемые мембраны, которые используются в медицинских устройствах, например, Qosina Ref. 11066, вентилируемая крышка с гидрофобным фильтром или клапаны, которые используются в детских бутылочках. Данные клапаны и мембраны могут быть изготовлены из любого материала, подходящего для применений в курительных системах с электрическим нагревом. Могут быть использованы материалы, подходящие для медицинских устройств, и FDA одобренные материалы, например, графен, характеризующийся очень высокими механическим сопротивлением и термостойкостью в пределах широкого диапазона температур. Предпочтительно, клапаны изготовлены из мягкого упругого материала для содействия герметичному встраиванию одного или более клапанов в стенку корпуса емкости.
Прохождение окружающего воздуха через субстрат способствует образованию аэрозоля субстратом, образующим аэрозоль. Во время затяжки возникает понижение давления в картридже, которое может активировать полуоткрытые впускные отверстия. Затем окружающий воздух проходит через картридж, предпочтительно материал (HRM) с высокой удерживающей способностью или с высокой высвобождающей способностью, или жидкость, и пересекает нагревательный элемент, таким образом создавая и поддерживая образование аэрозоля из жидкости, когда нагревательный элемент достаточным образом нагревает жидкость. Кроме того, вследствие понижения давления, возникающего во время затяжки, подача жидкости в транспортном материале, таком как капиллярная среда, на нагревательный элемент может быть ограничена. Поток окружающего воздуха через картридж может выравнивать перепады давления внутри картриджа и, следовательно, поддерживать свободное действе капиллярного эффекта в направлении нагревательного элемента.
В качестве дополнения или альтернативы, полуоткрытое впускное отверстие может быть также предоставлено в одной или более боковых стенках корпуса картриджа. Полуоткрытые впускные отверстия в боковых стенках предоставляют боковой поток воздуха в картридж в направлении открытого верхнего конца корпуса картриджа, где расположен нагревательный элемент. Предпочтительно, боковые потоки воздуха проходят через субстрат, образующий аэрозоль.
Система может дополнительно содержать электрическую схему, соединенную с нагревательным узлом и с источником электропитания, при этом электрическая схема выполнена с возможностью контроля электрического сопротивления нагревательного узла, или одной или более нитей нагревательного узла, и с возможностью управления подачей питания на нагревательный узел, в зависимости от электрического сопротивления нагревательного узла, или одной или более нитей.
Электрическая схема может содержать микропроцессор, который может представлять собой программируемый микропроцессор. Электрическая схема может содержать дополнительные электронные компоненты. Электрическая схема может быть выполнена с возможностью регулирования подачи питания на нагревательный узел. Питание может подаваться на нагревательный узел непрерывно после активации системы, или оно может подаваться с перерывами, например, на основании затяжек. Питание может подаваться на нагревательный узел в виде импульсов электрического тока.
Система предпочтительно содержит источник питания, обычно батарею, внутри главной части корпуса. В качестве альтернативы, источник питания может представлять собой устройство накопления заряда другого типа, такое как конденсатор. Источник питания может требовать перезарядки и может обладать емкостью, позволяющей накапливать достаточно энергии для одного или более сеансов курения; например, источник питания может иметь достаточную емкость для того, чтобы позволить непрерывно генерировать аэрозоль в течение приблизительно шести минут, или в течение периода, кратного шести минутам. В другом примере источник питания может иметь достаточную емкость для того, чтобы обеспечить возможность осуществления предварительно заданного количества затяжек или отдельных активаций нагревательного узла.
Предпочтительно система, генерирующая аэрозоль, содержит корпус. Предпочтительно корпус является удлиненным. Корпус может содержать любой подходящий материал или комбинацию материалов. Примеры подходящих материалов включают металлы, сплавы, пластмассы или композиционные материалы, содержащие один или несколько из таких материалов, или термопластмассы, подходящие для применения в пищевой или фармацевтической промышленности, например, полипропилен, полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиэтилен. Предпочтительно материал является легким и нехрупким.
Субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой субстрат, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Летучие соединения могут быть высвобождены путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать материал растительного происхождения. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табак. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие табачные ароматические соединения, которые высвобождаются из субстрата, образующего аэрозоль, при нагревании. Субстрат, образующий аэрозоль, в качестве альтернативы может содержать материал, не содержащий табака. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать гомогенизированный материал растительного происхождения. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать гомогенизированный табачный материал. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать по меньшей мере одно вещество для образования аэрозоля. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать другие добавки и ингредиенты, такие как ароматизаторы.
Система, генерирующая аэрозоль, может включать главный блок и картридж, который соединен с возможностью отсоединения с главным блоком, при этом часть для хранения жидкости и нагревательный узел предоставлены в картридже, и главный блок содержит источник питания.
Система, генерирующая аэрозоль, может представлять собой электроуправляемую курительную систему. Предпочтительно, система, генерирующая аэрозоль, является портативной. Система, генерирующая аэрозоль, может иметь размер, сопоставимый с размером традиционной сигары или сигареты. Курительная система может иметь общую длину, составляющую от примерно 30 миллиметров до примерно 150 миллиметров. Курительная система может иметь внешний диаметр, составляющий от примерно 5 миллиметров до примерно 30 миллиметров.
В способе изготовления картриджа для использования в электроуправляемой системе, генерирующей аэрозоль, этап заполнения части для хранения жидкости может быть осуществлен до или после этапа установки нагревательного узла. Нагревательный узел может быть прикреплен к корпусу части для хранения жидкости. Этап прикрепления может, например, включать присоединение с помощью термосварки, приклеивание или приваривание нагревательного узла к корпусу части для хранения жидкости.
Признаки, описанные в отношении одного аспекта, могут быть в равной степени применены и к другим аспектам настоящего изобретения.
-4
В контексте настоящего документа «электропроводящий» означает «образованный из материала, характеризующегося удельным сопротивлением 1×10 Ом·м или менее».
4
В контексте настоящего документа «электроизоляционный» означает «образованный из материала, характеризующегося удельным сопротивлением 1×10 Ом·м или более».
В контексте настоящего документа «проницаемый для жидкости» в отношении нагревательного узла означает, что субстрат, образующий аэрозоль, в газообразной фазе и, возможно, в жидкой фазе может легко проходить через нагревательный узел.
Варианты осуществления настоящего изобретения будут далее описаны исключительно в качестве примера, со ссылкой на сопроводительные графические материалы, на которых:
на фиг. 1 показан вид сверху в перспективе узла, содержащего нагревательный узел и капиллярную среду, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2A показан вид сверху в перспективе нагревательного узла, содержащего комбинацию нитей плоской формы с центральным отверстием;
на фиг. 2B показан вид сверху в перспективе нагревательного узла, содержащего комбинацию нитей изогнутой формы с центральным отверстием;
на фиг. 2C показан вид сверху в перспективе нагревательного узла, содержащего комбинацию нитей воронкообразной формы с центральным отверстием;
на фиг. 3 показан вид сверху в перспективе капиллярной среды, содержащей первую капиллярную среду и вторую капиллярную среду, причем в обеих предусмотрено центральное отверстие;
на фиг. 4A показан вид сверху в перспективе узла, содержащего нагревательный узел и капиллярную среду, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4B показан вид сверху в перспективе узла, содержащего нагревательный узел и капиллярную среду, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения; и
на фиг. 5 показано схематическое изображение системы, в которую входит картридж, содержащий нагревательный узел и капиллярную среду, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 1 представлена комбинация 30 нитей согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. В комбинации нитей предусмотрено отверстие 32 в нитях. Капиллярная среда 22 находится в контакте с комбинацией 30 нитей. Капиллярная среда содержит отверстие 28 капиллярной среды, которое исполняет роль воздушного канала, проходящего через капиллярную среду 22. Окружающий воздух проводится с попаданием в поток 40 воздуха к поверхности столкновения с воздухом комбинации 30 нитей. Всасывающее действие воздушного канала, проходящего через капиллярную среду 22, приводит к ускорению потока воздуха, так что летучие пары втягиваются в поток воздуха 42 через воздушный канал.
Фиг. 2A-2C иллюстрируют различные формы комбинаций 30 нитей, каждая из которых содержит отверстие 32 в нитях в центральной части комбинации 30 нитей.
На фиг. 2A показана плоская комбинация 30 нитей. Турбулентности и завихрения потока 40 воздуха на поверхности столкновения с воздухом комбинации нитей обусловлены центральным отверстием, выполняющим роль входа в воздушный канал отверстия 28 капиллярной среды.
На фиг. 2B представлена неплоская комбинация 30 нитей, которая изогнута в одном измерении. Изогнутая форма вызывает завихрение потока 40 воздуха на поверхности столкновения с воздухом. Данный эффект дополнительно усиливается необязательным отверстием 32 в нитях.
На фиг. 2C представлена неплоская комбинация 30 нитей, имеющая воронкообразную форму с необязательным отверстием 32 в нитях на дне воронкообразной комбинации 30 нитей. Воронкообразная форма вызывает завихрение потока 40 воздуха на поверхности столкновения с воздухом. Данный эффект дополнительно усиливается необязательным отверстием 32 в нитях.
На фиг. 3 представлена капиллярная среда 22, подлежащая использованию в системе, генерирующей аэрозоль. Используются две отдельные капиллярные среды 44, 46. Большая часть второй капиллярной среды 46 предоставлена на противоположной стороне первой капиллярной среды 44, которая находится в контакте с комбинацией 30 нитей нагревательного узла. Как первая капиллярная среда 44, так и вторая капиллярная среда 46 удерживают жидкий субстрат, образующий аэрозоль. Первая капиллярная среда 44, которая находится в контакте с комбинацией нитей, характеризуется более высокой температурой термического разложения (по меньшей мере 160 градусов Цельсия или выше, такой как приблизительно 250 градусов Цельсия) по сравнению со второй капиллярной средой 46. Первая капиллярная среда 44 эффективно действует как разделитель, отделяющий комбинацию 30 нитей от второй капиллярной среды 46, так что вторая капиллярная среда не подвергается воздействию температур, превышающих температуру ее термического разложения. Первая капиллярная среда 44 является гибкой и предпочтительно адаптируется к неплоской форме нагревательного узла таким образом, чтобы поверхность контакта между капиллярной средой и нагревательным узлом была максимальной.
Перепад температур в первой капиллярной среде таков, что вторая капиллярная среда подвергается воздействию температур, ниже температуры ее теплового разложения. Вторая капиллярная среда 46 может быть выбрана таким образом, чтобы обладать лучшими фитильными свойствами по сравнению с первой капиллярной средой 44, обладать способностью удерживать больше жидкости на единицу объема, чем первая капиллярная среда, и быть дешевле первой капиллярной среды. Капиллярная среда 22 содержит отверстие 28 капиллярной среды, исполняющее роль воздушного канала, проходящего через капиллярную среду 22.
На фиг. 4A и 4B изображено сочетание комбинации 30 нитей с двумя отдельными капиллярными средами 44, 46 согласно настоящему изобретению, которое проводит поток 42 воздуха по воздушному каналу, образованному отверстием 28 капиллярной среды, после смешивания с летучими парами на поверхности комбинации 30 нитей. Альтернативно, поток воздуха может проводиться в обратном направлении, т.е. окружающий воздух может проводиться в виде потока 40 воздуха через воздушный канал к поверхности комбинации 30 нитей.
На фиг. 4A изображена плоская комбинация 30 нитей с отверстием 32 в нитях, которое является продолжением отверстия 28 капиллярной среды. Воздушный канал через капиллярные среды 44, 46 ускоряет поток воздуха и улучшает образование аэрозоля.
На фиг. 4B представлена неплоская комбинация 30 нитей воронкообразной формы с отверстием 32 в нитях на нижнем конце комбинации 30 нитей, причем отверстие 32 в нитях является продолжением отверстия 28 капиллярной среды. Воронкообразная форма создает турбулентности и завихрения, которые способствуют смешиванию летучих паров с окружающим воздухом.
В варианте осуществления, изображенном на фиг. 4B, нижняя часть комбинации 30 нитей находится в непосредственном контакте со второй капиллярной средой 46. Конечно, размер капиллярной среды 44 также может быть увеличен таким образом, чтобы она покрывала всю комбинацию 30 нитей, и таким образом, чтобы не допускать непосредственного контакта между комбинацией 30 нитей и второй капиллярной средой 46.
На фиг. 5 показано схематическое изображение системы, генерирующей аэрозоль, содержащей картридж 20 с нагревательным узлом, содержащим комбинацию 30 нитей согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, и с капиллярной средой 22 согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Система, генерирующая аэрозоль, содержит устройство 10, генерирующее аэрозоль, и отдельный картридж 20. В этом примере система, генерирующая аэрозоль, является электроуправляемой курительной системой.
Картридж 20 содержит субстрат, образующий аэрозоль, и выполнен с возможностью помещения в полость 18 внутри устройства. Картридж 20 должен быть выполнен с возможностью замены пользователем, когда предоставленный в картридже 20 субстрат, образующий аэрозоль, исчерпан. На фиг. 5 показан картридж 20 непосредственно перед вставкой в устройство, при этом стрелка 1, показанная на фиг. 5, указывает на направление вставки картриджа 20. Нагревательный узел с комбинацией 30 нитей и капиллярной средой 22 размещен в картридже 20 за крышкой 26. Устройство 10, генерирующее аэрозоль, является портативным и имеет размер, сопоставимый с размером традиционной сигары или сигареты. Устройство 10 содержит главную часть 11 и мундштучную часть 12. Главная часть 11 содержит источник 14 питания, например, батарею, такую как литий-железо-фосфатная батарея, управляющую электронику 16 и полость 18. Мундштучная часть 12 соединена с главной частью 11 посредством шарнирного соединения 21, и может перемещаться между открытым положением, как показано на фиг. 5, и закрытым положением. Мундштучную часть 12 располагают в открытом положении, чтобы обеспечить установку и удаление картриджей 20, и располагают в закрытом положении, когда система должна использоваться для генерации аэрозоля. Мундштучная часть содержит множество впускных отверстий 13 для воздуха и выпускное отверстие 15. При использовании пользователь производит всасывание или затяжку со стороны выпускного отверстия для втягивания воздуха через впускные отверстия 13 для воздуха через мундштучную часть и картридж 20 в выпускное отверстие 15, и впоследствии в рот или легкие пользователя. Внутренние перегородки 17 предоставлены для того, чтобы вынуждать воздух протекать через мундштучную часть 12 мимо картриджа.
Полость 18 имеет круглое поперечное сечение и такой размер, чтобы вмещать в себя корпус 24 картриджа 20. Электрические соединители 19 предоставлены по сторонам полости 18 для обеспечения электрического соединения между управляющей электроникой 16 и батареей 14, и соответствующими электрическими контактами на картридже 20.
Другие конструкции картриджа, включающие нагревательный узел с комбинацией 30 нитей, согласно настоящему изобретению, и капиллярной средой 22, согласно настоящему изобретению, могут быть теперь представлены специалистом в данной области техники. Например, картридж 20 может содержать мундштучную часть 12, может содержать более одного нагревательного узла и может иметь любую необходимую форму. Кроме того, нагревательный узел согласно настоящему изобретению может быть использован в системах других типов, отличающихся от уже описанных, таких как увлажнители, освежители воздуха и другие системы, генерирующие аэрозоль.
Вышеописанные приведенные в качестве примера варианты осуществления являются иллюстративными, а не ограничительными. В свете описанных выше, приведенных в качестве примера вариантов осуществления, специалисту в данной области техники будут теперь понятны и другие варианты осуществления, соответствующие вышеописанным, приведенным в качестве примера вариантам осуществления.