КАРТРИДЖ ДЛЯ ОБРАЗУЮЩЕЙ АЭРОЗОЛЬ СИСТЕМЫ
CARTRIDGE FOR AEROSOL GENERATING SYSTEM

Настоящее изобретение относится к картриджу для образующей аэрозоль системы. Указанный картридж особенно полезен для электронных сигаретных продуктов, имеющих часть для хранения жидкости и нагревательный элемент, который испаряет жидкость.
Примером образующей аэрозоль системы является курительная система с электрическим управлением. Один тип удерживаемой в руке курительной системы с электрическим управлением состоит из первой части, содержащей батарею и электронные средства управления, и картриджной части, содержащей запас образующего аэрозоль субстрата и испаритель с электрическим управлением. Картриджная часть обычно содержит не только запас образующего аэрозоль субстрата и испаритель с электрическим управлением, но также и мундштук, через который пользователь при использовании производит всасывание для втягивания аэрозоля в свой рот. Для испарения или атомизации жидкого раствора с целью его превращения в аэрозольный туман, обычно используется тепло, ультразвук или другие средства.
В некоторых вариантах осуществления испарение осуществляется путем подачи электрического тока на узел, содержащий фитиль и нагревательный элемент. Фитиль обычно сообщается с жидкостным резервуаром, т.е. один его конец проходит внутрь части для хранения жидкости с целью контакта с жидкостью. Нагревательный элемент обычно полностью или частично окружает другой конец фитиля. Обычно жидкость транспортируется к нагревательному элементу за счет капиллярной силы или капиллярного действия. Вышеописанные фитили часто имеют цилиндрическую форму, т.е. они имеют площадь поперечного сечения, которая более или менее постоянна по всей длине фитиля.
Нагревательный элемент часто содержит катушку из проволоки, окружающую один конец капиллярного фитиля. В этом случае проволока представляет собой, главным образом, металлическую проволоку или проволоку из металлического сплава. Нагревательный элемент обычно нагревает жидкость на этом конце капиллярного фитиля за счет проводимости. Нагревательный элемент по меньшей мере частично находится в контакте с этим концом фитиля.
В таких случаях температура внешней области фитиля, которая находится в непосредственном контакте с катушкой, может быть выше, чем температура внутренней области фитиля. Это может привести к неоднородному распределению тепла в поперечном сечении фитиля, что способно затруднить регулирование оптимальной температуры для нагревательного элемента. Это может также повлиять на капиллярное действие фитиля, что связано с теплом, передаваемым на капиллярные волокна. Неоднородное распределение тепла способно также привести к неоднородному распределению капиллярного действия фитиля и к снижению капиллярной эффективности внутренней области фитиля.
Было бы желательно иметь картридж, который обеспечивал бы возможность однородного нагрева капиллярного тела, например фитиля, обеспечивая намного более эффективное регулирование капиллярного действия фитиля путем подачи тока внутрь нагревательного элемента, а также эффективность испарения жидкости по отношению к используемой электрической мощности.
Картридж для использования в образующей аэрозоль системе с электрическим управлением содержит часть для хранения жидкости, проницаемый для текучей среды нагревательный элемент и капиллярное тело. Проницаемый для текучей среды нагревательный элемент содержит первую и вторую поверхности, причем первая поверхность расположена раньше по ходу потока и предназначена для приема жидкости из части для хранения жидкости, а вторая поверхность расположена дальше по ходу потока и предназначена для высвобождения жидкости в испаренном виде. Капиллярное тело имеет удлиненный первый конец и второй конец, причем удлиненный первый конец проходит внутрь части для хранения жидкости с целью контакта с жидкостью, а второй конец контактирует с первой поверхностью нагревательного элемента. Капиллярное тело отличается тем, что его площадь поперечного сечения на втором конце больше, чем площадь поперечного сечения на удлиненном первом конце.
Картридж может содержать корпус, заключающий в себя часть для хранения жидкости и нагревательный элемент. Нагревательный элемент может быть прикреплен к корпусу части для хранения жидкости. Указанный корпус может представлять собой жесткий корпус и быть непроницаемым для текучей среды. В контексте настоящего документа «жесткий корпус» означает корпус, который является самонесущим. Жесткий корпус части для хранения жидкости предпочтительно обеспечивает механическую поддержку картриджа.
Часть для хранения жидкости имеет протяженность по длине и ширине и содержит отверстие на одном конце в продольном направлении. Часть для хранения жидкости образует резервуар, содержащий жидкость, используемую в качестве образующего аэрозоль субстрата. Указанное отверстие проходит вдоль по меньшей мере части ширины части для хранения жидкости. В предпочтительном варианте осуществления нагревательный элемент проходит поперек отверстия части для хранения жидкости. Таким образом обеспечивается возможность непроницаемой герметизации части для хранения жидкости с целью недопущения утечек жидкости из части для хранения жидкости в окружающую среду, а также обеспечивается прочная конструкция, которая сравнительно проста в изготовлении. Часть для хранения жидкости может быть герметизирована с помощью мембраны, которая может быть разорвана во время сборки с целью обеспечения контакта по жидкости между капиллярным телом и жидкостью.
Часть для хранения жидкости содержит капиллярное тело, выполненное с возможностью транспортировки жидкого образующего аэрозоль субстрата к нагревательному элементу. Капиллярное тело имеет удлиненный первый конец, который проходит внутрь части для хранения жидкости для контакта с жидкостью. Второй конец капиллярного тела находится в контакте с первой поверхностью нагревательного элемента.
Предпочтительно, удлиненный первый конец капиллярного тела расположен параллельно направлению длины части для хранения жидкости. Плоскость нагревательного элемента может быть расположена в направлении, перпендикулярном удлиненному первому концу капиллярного тела. В альтернативном варианте осуществления плоскость нагревательного элемента может быть расположена в направлении, параллельном удлиненному первому концу капиллярного тела.
Нагревательный элемент может иметь любую подходящую форму. Например, нагревательный элемент может быть плоским. Термин «плоский» используется для обозначения формы, которая проходит по существу в одной плоскости. Плоский нагревательный элемент является предпочтительным, поскольку он обеспечивает возможность легкого манипулирования им во время изготовления, а также обеспечивает прочную конструкцию. Нагревательный элемент может иметь круглую, овальную, квадратную, треугольную, прямоугольную или многоугольную форму, предпочтительно ― квадратную или прямоугольную форму. В других вариантах осуществления нагревательный элемент может быть криволинейным вдоль одного или более своих размеров, например, с образованием куполообразной или мостообразной формы.
Нагревательный элемент может быть образован из множества электропроводных нитей, которые могут образовывать сетку или множество нитей, или они могут образовывать тканое или нетканое полотно. Нагревательный элемент является проницаемым для текучей среды. В контексте данного документа термин «проницаемый для текучей среды» в отношении нагревательного элемента означает, что жидкость или образующий аэрозоль субстрат в газообразной фазе и, возможно, в жидкой фазе могут легко проникать через нагревательный узел или нагревательный элемент.
Термин «нить» предпочтительно относится к электрическому тракту, расположенному между двумя электрическим контактами. Нить может произвольным образом разветвляться и расходиться на несколько трактов или нитей соответственно, либо в ней несколько электрических трактов могут сходиться в один тракт. Нить может иметь круглое, квадратное, плоское или любое другое поперечное сечение. Нить может быть расположена прямолинейным или криволинейным образом.
Термин «компоновка нитей» предпочтительно используется для обозначения компоновки из одной или, предпочтительно, множества нитей. Компоновка нитей может представлять собой множество нитей, например, расположенных параллельно друг другу. Предпочтительно, нити могут образовывать сетку, либо тканое или нетканое полотно.
Нагревательный элемент может иметь электропроводные контактные участки, которые выполнены таким образом, чтобы обеспечивать возможность контакта с внешним источником питания на второй торцевой поверхности нагревательного элемента, противоположной первой торцевой поверхности.
Электропроводные нити могут содержать любой подходящий электропроводный материал. Подходящие материалы включают в себя, но без ограничения: полупроводники, такие как легированная керамика, «проводящая» 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 в себя легированные карбиды кремния. Примеры подходящих металлов включают в себя титан, цирконий, тантал и металлы из платиновой группы. Примеры подходящих сплавов металлов включают в себя 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 более изоляторами. Предпочтительными материалами для электропроводных нитей являются нержавеющие стали марок 304, 316, 304L и 316L и графит.
Капиллярное тело может находиться в контакте с электропроводными нитями нагревательного элемента. Материал капиллярного тела может проходить внутрь промежутков между нитями. Нагревательный элемент может втягивать жидкий образующий аэрозоль субстрат внутрь указанных промежутков за счет капиллярного действия. Капиллярный материал может покрывать по меньшей мере 50%, предпочтительно - по меньшей мере 70%, более предпочтительно - по меньшей мере 90%, наиболее предпочтительно - по существу 100% первой поверхности нагревательного элемента.
Площадь поперечного сечения капиллярного тела на первой конце составляет больше, чем площадь поперечного сечения капиллярного тела на втором конце. Таким образом, площадь поперечного сечения капиллярного тела увеличивается от конца, проходящего внутрь части для хранения жидкости с целью контакта с жидкостью, в направлении второго конца капиллярного тела, контактирующего с нагревательным элементом. В предпочтительном варианте осуществления площадь поперечного сечения капиллярного тела на втором конце превышает площадь поперечного сечения капиллярного тела на первом конце в число раз, составляющее 1,1 до 20 раз, предпочтительно - от 2 до 15 раз, более предпочтительно - от 3 до 10 раз.
Предпочтительно, первый и второй концы капиллярного тела имеют круглую, овальную, квадратную, треугольную, прямоугольную или многоугольную форму, предпочтительно ― круглую или овальную форму. Например, капиллярное тело может иметь форму сужающегося на конус цилиндра или стержня, либо форму воронки. Возможно также, чтобы удлиненный первый конец капиллярного тела имел круглую форму, а второй конец капиллярного был адаптирован в соответствии с формой нагревательного элемента.
Капиллярное тело может содержать множество капиллярных волокон. Предпочтительно, капиллярные волокна на первом конце капиллярного тела расположены в направлении, перпендикулярном плоскости нагревательного элемента, а капиллярные волокна на втором конце капиллярного тела расположены в направлении, параллельном плоскости нагревательного элемента. Предпочтительно, нагревательный элемент содержит множество электропроводных нитей, и часть капиллярных волокон на втором конце капиллярного тела по существу выровнена с электропроводными нитями нагревательного элемента.
Капиллярное тело может иметь волокнистую или губчатую структуру. Например, капиллярное тело может представлять собой капиллярный фитиль, содержащий множество волокон или прядей, по существу выровненных в продольном направлении. В качестве альтернативы, капиллярное тело может представлять собой губкообразный материал. Структура капиллярного тела образует множество мелких отверстий или трубок, через которые жидкость может транспортироваться из части для хранения жидкости к нагревательному элементу за счет капиллярного действия. Капиллярное тело может содержать любой подходящий материал или комбинацию материалов. Примерами подходящих материалов являются материалы на основе керамики или графита в виде волокон или спеченных порошков. Капиллярное тело может иметь любые подходящие капиллярность и пористость для того, чтобы использовать его с жидкостями, имеющими различные физические свойства, такие как плотность, вязкость, поверхностное натяжение и давление пара. 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. Капиллярный материал может иметь любые подходящие капиллярность и пористость с тем, чтобы использовать его с жидкостями, имеющими различные физические свойства. Жидкость имеет физические свойства, включающие 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 действия.
Капиллярное тело может представлять собой жесткое трубчатое тело, имеющее единственное отверстие, через которое обеспечивается возможность транспортировки жидкости из части для хранения жидкости к нагревательному элементу за счет капиллярного действия. Жесткое трубчатое тело может быть воронкообразным или иметь форму рупора.
Капиллярное тело может иметь структуру жесткого трубчатого тела, имеющего отверстие, выполненное с возможностью размещения множества капиллярных волокон или губкообразного капиллярного материала. Жесткое трубчатое тело образует футляр или оболочку для капиллярных волокон или губкообразного капиллярного материала.
Применение картриджа данного типа в образующей аэрозоль системе обеспечивает ряд преимуществ над традиционной компоновкой с фитилем и катушкой. Картридж, содержащий нагревательный элемент и капиллярное тело, описанные выше, обеспечивает возможность увеличения площади контакта капиллярного тела с нагревательным элементом и, как следствие, увеличения площади контакта, на которой происходит испарение жидкости. Картридж обеспечивает возможность его производства с низкими затратами, с использованием легкодоступных материалов и технологий массового производства. Картридж является прочным, что обеспечивает возможность манипулирования им и его прикрепления к другим частям образующей аэрозоль системы во время изготовления и, в частности, его применения как съемного картриджа. Применение электропроводных контактных участков, образующих часть нагревательного элемента, обеспечивает возможность надежного и простого соединения нагревательного узла с источником питания.
Предложен также способ изготовления картриджа для использования в образующей аэрозоль системе, включающий в себя этапы, на которых:
обеспечивают часть для хранения жидкости, содержащую корпус, имеющий отверстие;
заполняют часть для хранения жидкости жидким образующим аэрозоль субстратом;
обеспечивают нагревательный узел, содержащий по меньшей мере один проницаемый для текучей среды нагревательный элемент, проходящий поперек указанного отверстия корпуса;
обеспечивают капиллярное тело, площадь поперечного сечения которого на втором конце больше, чем площадь поперечного сечения на удлиненном первом конце, и приводят в контакт второй конец капиллярного тела с по меньшей мере одной поверхностью нагревательного элемента.
Этап заполнения части для хранения жидкости может быть осуществлен до или после этапа прикрепления нагревательного узла к части для хранения жидкости.
Этап приведения в контакт может включать в себя, например, термическое запаивание, склеивание или сварку нагревательного узла с частью для хранения жидкости. Часть для хранения жидкости может содержать множество капиллярных волокон. В предпочтительных вариантах осуществления капиллярное тело представляет собой фитиль, содержащий множество капиллярных волокон, которые расходятся на втором конце, образуя таким образом капиллярное тело, площадь поперечного сечения которого на этом втором конце составляет больше, чем площадь поперечного сечения капиллярного тела на удлиненном первом конце.
Предложена также образующая аэрозоль система, содержащая основной модуль и картридж согласно настоящему изобретению, причем в картридже размещены часть для хранения жидкости и нагревательный узел, а основной модуль содержит источник питания. Предпочтительно, картридж съемно прикреплен к основному модулю. В предпочтительном варианте осуществления образующая аэрозоль система содержит удлиненный корпус, причем проницаемый для текучей среды нагревательный элемент расположен поперечно указанному удлиненному корпусу. Более предпочтительно, образующая аэрозоль система дополнительно содержит электрическую схему, соединенную с нагревательным узлом и электрическим источником питания и выполненную с возможностью мониторинга электрического сопротивления нагревательного узла или одной или более нитей нагревательного узла, и с возможностью управления подачей питания от электрического источника питания на нагревательный узел в зависимости от электрического сопротивления нагревательного узла или указанных одной или более нитей. В предпочтительном варианте осуществления образующая аэрозоль система, содержащая картридж согласно настоящему изобретению, представляет собой курительную систему с электрическим управлением.
Настоящее изобретение будет дополнительно описано исключительно на примерах, со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан вид в поперечном сечении картриджа согласно настоящему изобретению в качестве части образующей аэрозоль системы;
на фиг. 2 показан вид в плане нагревательного элемента в виде прямоугольной плоской сетки;
на фиг. 3 показан увеличенный вид в поперечном сечении капиллярного тела и нагревательного элемента согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4 показан увеличенный вид в поперечном сечении соединения между нагревательным элементом и капиллярным телом согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения; и
на фиг. 5 показан в разобранном виде картридж согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 1 показана на виде сбоку образующая аэрозоль система согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Образующая аэрозоль система содержит часть (8) для хранения жидкости, содержащую жидкость (7); плоский нагревательный элемент (1); и капиллярное тело (5). Нагревательный элемент (1) содержит первую (1а) и вторую (1b) поверхности, причем первая поверхность (1а) расположена раньше по ходу потока и предназначена для приема жидкости (7), а вторая поверхность (1b) расположена дальше по ходу потока и предназначена для высвобождения жидкости (7) в испаренном виде. На фиг. 1 показано капиллярное тело (5), имеющее удлиненный первый конец (6), погруженный снизу в жидкость (7). Второй конец (9) капиллярного тела (5) расширен и находится в контакте с первой поверхностью (1а) нагревательного элемента (1). Когда пользователь втягивает воздух через мундштук (не показан), внешний воздух (10) втягивается внутрь электронной сигареты через впускные воздушные отверстия (11), выполненные вблизи нагревательного элемента электронной сигареты. Воздух достигает участка (12), расположенного вблизи нагревательного элемента, где смешивается с испаряющейся жидкостью (13) электронной сигареты и затем направляется к мундштуку.
На фиг. 2 показан вариант осуществления нагревательного элемента (1), который выполнен в виде плоской прямоугольной сетки, содержащей множество электропроводных нитей. Нагревательный элемент электрически соединен с батареей (2) через провода (3) и (4) на противоположных сторонах.
На фиг. 3 показана в увеличенном виде компоновка нагревательного элемента (1) и воронкообразного капиллярного тела согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Показаны нагревательный элемент (1) и верхний участок (9) капиллярного тела, содержащий множество капиллярных волокон (14) В данном варианте осуществления капиллярные волокна (14) на втором конце (9) капиллярного тела (5) согнуты или искривлены в направлении, параллельном плоскости плоского нагревательного элемента (1), и таким образом максимизирована площадь поверхности капиллярных волокон, находящаяся в непосредственном контакте с нагревательным элементом (1).
На фиг. 4 показан увеличенный вид в поперечном сечении соединения между капиллярным телом (5) и по существу плоским нагревательным элементом (1) согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. В данном варианте осуществления капиллярное тело (5) является воронкообразным, и второй конец (9) капиллярного тела (5) загнут наружу в направлении, параллельном плоскости нагревательного элемента (1). Капиллярно тело (5) имеет отверстие, и его удлиненный первый конец (6) скошен. Нагревательный элемент (1) и второй конец (9) капиллярного тела (5) удерживаются вместе с помощью кольцевого герметизирующего элемента (15).
На фиг. 5 показан в разобранном виде картридж согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Часть (8) для хранения жидкости (не показана) имеет цилиндрическую форму. Жидкость в части (8) для хранения жидкости герметизирована с помощью мембраны (16) перед сборкой. Показанная на фиг. 5 верхняя часть содержит воронкообразное капиллярное тело (5) по фиг. 4 со скошенным нижним концом. Капиллярное тело (5) соединено с плоским нагревательным элементом (1) с помощью кольцевого герметизирующего элемента (15). Во время сборки картриджа, в мембрану (16) вставляют скошенный нижний конец воронкообразного капиллярного тела (5), образуя таким образом отверстие (17). При использовании нижний конец капиллярного тела (5) проходит через отверстие (17) в толщу жидкости в части (8) для хранения жидкости и обеспечивает возможность транспортировки жидкости через отверстие воронкообразного капиллярного тела (5) к нагревательному элементу (1) за счет капиллярной силы. Кольцевой герметизирующий элемент (15) выполнен с возможностью вставления в обод (18) цилиндрической части (8) для хранения жидкости и обеспечивает по существу герметичное соединение между частью (8) для хранения жидкости и соединенными капиллярным телом (5) и нагревательным элементом (1).