НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ БЛОК ДЛЯ СИСТЕМЫ, ГЕНЕРИРУЮЩЕЙ АЭРОЗОЛЬ
HEATING UNIT FOR AEROSOL GENERATING SYSTEM

Настоящее описание относится к нагревательному блоку, подходящему для использования в системе, генерирующей аэрозоль. В частности, изобретение относится к нагревательному блоку, подходящему для вставки в субстрат, образующий аэрозоль, курительного изделия с целью нагревания изнутри субстрата, образующего аэрозоль.
Существует растущий спрос на переносные устройства, генерирующие аэрозоль, которые способны вырабатывать аэрозоль для ингаляции пользователя. Одной из конкретных областей спроса являются нагреваемые курительные устройства, в которых субстрат, образующий аэрозоль, нагревают для высвобождения летучих вкусоароматических соединений без сжигания субстрата, образующего аэрозоль. Высвобожденные летучие соединения передаются в виде аэрозоля пользователю.
Любое устройство, генерирующее аэрозоль, работающее путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль, должно содержать нагревательный блок. Для различных типов субстратов, образующих аэрозоль, было предложено множество различных типов нагревательных блоков.
Один из типов нагревательного блока, который был предложен для нагреваемых курительных устройств, работает путем вставки нагревателя в твердый субстрат, образующий аэрозоль, такой как прессованный табак. Такое расположение позволяет субстрату нагреваться непосредственно и эффективно. Но есть ряд технических проблем с этим типом нагревательного блока, в том числе выполнение требований в отношении небольшого размера, надежности, низкой стоимости производства, достаточных рабочих температур и эффективной локализации вырабатываемого тепла.
Было бы желательно предложить надежный, недорогой нагревательный блок для устройства, генерирующего аэрозоль, который обеспечивает локализованный источник тепла для нагревания субстрата, образующего аэрозоль.
В первом аспекте изобретения предложен нагревательный блок для нагревания субстрата, образующего аэрозоль, при этом нагревательный блок содержит:
нагреватель, содержащий электрический резистивный нагревательный элемент и основание нагревателя; и
держатель нагревателя, соединенный с нагревателем;
причем нагревательный элемент содержит первый участок и второй участок, выполненные таким образом, что, когда электрический ток протекает через нагревательный элемент, первый участок нагревается до более высокой температуры, чем второй участок, причем первый участок нагревательного элемента размещен в зоне нагрева основания нагревателя, а второй участок нагревательного элемента расположен в зоне удерживания основания нагревателя; причем держатель нагревателя прикреплен к зоне удерживания основания нагревателя.
Как используется в данном документе, термин «субстрат, образующий аэрозоль» относится к субстрату, обладающему способностью к высвобождению летучих соединений, которые могут образовывать аэрозоль. Такие летучие соединения могут быть высвобождены путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может в целях удобства быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, или курительного изделия.
Как используются в данном документе, термины «изделие, генерирующее аэрозоль» и «курительное изделие» относятся к изделию, содержащему субстрат, образующий аэрозоль, который способен высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Например, изделие, генерирующее аэрозоль, может быть курительным изделием, генерирующим аэрозоль, который непосредственно ингалируется в легкие пользователя через рот пользователя. Изделие, генерирующее аэрозоль, может быть одноразовым. Курительное изделие, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, содержащий табак, называют табачной палочкой.
Первый участок нагрет до более высокой температуры, чем второй участок в результате протекания электрического тока через нагревательный элемент. В одном варианте осуществления первый участок нагревательного элемента выполнен с возможностью достижения температуры от приблизительно 300°C до приблизительно 550°C при использовании. Предпочтительно, нагревательный элемент выполнен с возможностью достижения температуры от приблизительно 320°C до приблизительно 350°C.
Держатель нагревателя обеспечивает поддержку конструкции нагревателя и позволяет ему быть надежно закрепленным внутри устройства, генерирующего аэрозоль. Держатель нагревателя может содержать полимерный материал и быть преимущественно выполненным из полимерного материала, поддающегося литью и прессованию, такого как полиэфирэфиркетон (PEEK). Использование полимера, поддающегося литью и прессованию, позволяет держателю нагревателя быть отлитым вокруг нагревателя и, таким образом, прочно удерживать нагреватель. Это также позволяет производить недорогим способом держатель нагревателя с требуемой внешней формой и размерами. Основание нагревателя может иметь конструктивные особенности, такие как проушины или пазы, которые усиливают крепление держателя нагревателя к нагревателю. Для держателя нагревателя, конечно, возможно использование других материалов, таких как керамический материал. Предпочтительно, держатель нагревателя может быть выполнен из керамического материала, поддающегося прессованию и литью.
Применение полимера для удерживания нагревателя означает, что температуру нагревателя в непосредственной близости от держателя нагревателя необходимо контролировать таким образом, чтобы она была ниже температуры, при которой полимер плавится, загорается или приходит в негодность. В то же время температура участка нагревателя с субстратом, образующим аэрозоль, внутри должна быть достаточной для производства аэрозоля с желаемыми свойствами. Поэтому желательно обеспечить, чтобы температура второго участка нагревательного элемента, по меньшей мере в тех точках, которые находятся в контакте с держателем нагревателя, оставалась ниже максимально допустимой температуры во время использования.
В электрическом резистивном нагревателе тепло, производимое нагревателем, зависит от сопротивления нагревательного элемента. Чем выше сопротивление нагревательного элемента, тем больше производится тепла при заданном токе. Желательно, чтобы большая часть произведенного тепла была получена на первом участке нагревательного элемента. Соответственно, желательно, чтобы первый участок нагревательного элемента имел большее электрическое сопротивление на единицу длины, чем второй участок нагревательного элемента.
Предпочтительно, нагревательный элемент содержит участки, выполненные из разных материалов. Первый участок нагревательного элемента может быть выполнен из первого материала, а второй участок нагревательного элемента может быть выполнен из второго материала, причем коэффициент удельного электрического сопротивления первого материала больше, чем второго материала. Например, первый материал может быть NiCr (никель-хромом), платиной, вольфрамом или проволокой из сплава, а второй материал может быть золотом, серебром или медью. Размеры первого и второго участков нагревательного элемента также могут отличаться для обеспечения более низкого электрического сопротивления на единицу длины на втором участке.
Материалы для первого и второго участков нагревательного элемента могут быть выбраны с учетом их тепловых, а также электрических свойств. Предпочтительно, второй участок нагревательного элемента имеет более низкую теплопроводность для уменьшения передачи тепла от зоны нагрева к держателю нагревателя. Соответственно, выбор материала для второго участка нагревательного элемента или по меньшей мере для области между первым участком нагревательного элемента и держателем нагревателя может быть осуществлен по оптимальному соотношению между высокой электропроводностью и низкой теплопроводностью. На практике было установлено, что золото является хорошим выбором материала для второго участка нагревательного элемента. В качестве альтернативы, материалом второго участка может быть серебро.
Предпочтительно, второй участок нагревательного элемента содержит две секции, причем каждая из двух секций по отдельности подключена к первому участку нагревательного элемента, чтобы задать путь электрического тока от одной секции второго участка к первому участку, а затем к другой секции второго участка. Держатель нагревателя может окружать обе секции второго участка. Конечно, возможно, что второй участок содержит более двух частей, каждая из которых соединена электрически с первым участком.
Нагревательный элемент может содержать третий участок, выполненный для электрического подключения к источнику питания, причем третий участок расположен на противоположной к первому участку нагревательного элемента стороне держателя нагревателя. Третий участок может быть выполнен из материала, отличного от материалов первого и второго участков, и может быть выбран с целью обеспечения низкого электрического сопротивления и хороших соединительных свойств, например, с целью обеспечения легкой пайки. На практике установлено, что серебро является хорошим выбором для третьего участка. Альтернативно, в качестве материала для третьего участка может быть использовано золото. Третий участок может содержать множество секций, каждая из которых соединена с секцией второго участка нагревательного элемента.
Для обеспечения хорошего электрического контакта различные участки нагревательного элемента могут нахлестываться друг на друга. Например, первый участок и третий участок могут частично перекрываться сверху или снизу на второй участок. Более того, нагревательный элемент может содержать более трех отдельных участков.
Основание нагревателя преимущественно выполнено из электроизоляционного материала и может быть выполнено из керамического материала, такого как диоксид циркония или оксид алюминия. Основание нагревателя может обеспечить механически устойчивую опору для нагревательного элемента в широком диапазоне температур и может обеспечить жесткую конструкцию, подходящую для введения в субстрат, образующий аэрозоль. Основание нагревателя может содержать плоскую поверхность, на которой располагается нагревательный элемент, а также клиновидный конец, выполненный с возможностью введения в субстрат, образующий аэрозоль. Основание нагревателя преимущественно имеет удельную теплопроводность меньше или равную 2 ваттам на метр-кельвин.
В одном варианте осуществления первый участок нагревательного элемента выполнен из материала, имеющего определенную зависимость между температурой и сопротивлением. Это позволяет использовать нагреватель как для нагревания субстрата, образующего аэрозоль, так и для контроля температуры во время его использования. Предпочтительно, первый участок имеет больший температурный коэффициент сопротивления, чем второй участок. Это обеспечивает то, что значение сопротивления нагревательного элемента преимущественно отражает температуру первого участка нагревательного элемента. Было установлено, что хорошим выбором для первого участка нагревательного элемента является платина.
Предпочтительно, первый участок нагревательного элемента расположен на расстоянии от держателя нагревателя. Часть нагревателя между первым участком нагревательного элемента и держателем нагревателя преимущественно имеет температурный градиент от более высокой температуры в первом участке нагревательного элемента к более низкой температуре в держателе нагревателя. Расстояние между первым участком нагревательного элемента и держателем нагревателя выбирается для обеспечения, таким образом, достаточного падения температуры. С целью как уменьшения размера нагревательного блока, так и обеспечения максимально возможной надежности нагревательного блока, также целесообразно, чтобы это расстояние было не больше, чем необходимо. Чем больше длина нагревателя за держателем нагревателя, тем выше склонность к растрескиванию или искривлению при падении или при повторном введении и извлечении из твердых субстратов, образующих аэрозоль.
В нормальных условиях эксплуатации предпочтительно, чтобы в точках контакта с держателем нагревателя температура второго участка была менее 200 градусов Цельсия при температуре первого участка нагревательного элемента от приблизительно 300 до приблизительно 550 градусов Цельсия. Под «нормальными условиями эксплуатации» в данном контексте подразумевается стандартная температура и давление окружающей среды: температура 298,15°К (25°C, 77°F) и абсолютное давление 100 кПа (14,504 фунт-силы на кв. дюйм, 0,986 атм.). Нормальные условия эксплуатации включают в себя работу нагревательного блока при расположении его внутри корпуса устройства, генерирующего аэрозоль, или снаружи корпуса устройства, генерирующего аэрозоль.
1
0
2
Предпочтительно, нагревательный блок выполнен таким образом, что если T является максимальной температурой первого участка, T является температурой окружающей среды, а T является температурой второго участка нагревательного элемента при контакте с держателем нагревателя, то:
1
0
2
0
(T-T)/(T-T)>2.
Нагревательный блок может содержать один или несколько слоев материала, покрывающего нагревательный элемент. Предпочтительно, над нагревательным элементом предусмотрен защитный слой, выполненный, например, из стекла, для предотвращения окисления или другой коррозии нагревательного элемента. Защитный слой может полностью покрывать основание нагревателя. Защитный слой или другие слои могут также обеспечить улучшенное тепловое распределение на нагревателе и облегчить его чистку. С целью улучшения теплового распределения на нагревателе между нагревательным элементом и основанием нагревателя также может быть предусмотрен подстилающий слой из материала, такого как стекло. Подстилающий слой материала можно также использовать для улучшения процесса образования нагревательного элемента.
Размеры нагревателя могут быть выбраны в соответствии с применением нагревательного блока, и должно быть ясно, что ширина, длина и толщина нагревателя могут быть выбраны независимо друг от друга. В одном варианте осуществления нагреватель, по существу, имеет форму лезвия с клиновидным концом для введения в субстрат, образующий аэрозоль. Нагреватель может иметь длину от приблизительно 10 мм до приблизительно 30 мм, и предпочтительно, от приблизительно 15 мм до приблизительно 25 мм. Поверхность нагревателя, на которой расположен нагревательный элемент, может иметь ширину от приблизительно 2 мм до приблизительно 10 мм, и предпочтительно, от приблизительно 3 мм до приблизительно 6 мм. Нагреватель может иметь толщину от приблизительно 0,2 мм до приблизительно 0,5 мм, и предпочтительно, от 0,3 мм до 0,4 мм. Активная зона нагрева нагревателя, соответствующая участку нагревателя, на котором расположен первый участок нагревательного элемента, может иметь длину от 5 мм до 20 мм, и предпочтительно, от 8 мм до 15 мм. Держатель нагревателя можете соприкасаться с нагревателем по длине от 2 мм до 5 мм, и предпочтительно, по длине приблизительно 3 мм. Расстояние между держателем нагревателя и первым участком нагревательного элемента может быть по меньшей мере 2 мм, и предпочтительно, по меньшей мере 2,5 мм. В предпочтительном варианте осуществления расстояние между держателем нагревателя и первым участком нагревательного элемента составляет 3 мм.
В соответствии со вторым аспектом изобретения предложено устройство, генерирующее аэрозоль, содержащее: корпус, нагревательный блок в соответствии с первым аспектом изобретения, причем держатель нагревателя соединен с корпусом, источник электропитания, соединенный с нагревательным элементом, и управляющий элемент, выполненный с возможностью управления подачей энергии от источника питания к нагревательному элементу;
причем корпус образует полость, окружающую первый участок нагревательного элемента, причем полость выполнена с возможностью размещения изделия, образующего аэрозоль, содержащего субстрат, образующий аэрозоль.
Как используется в данном документе, термин «устройство, генерирующее аэрозоль» относится к устройству, которое для выработки аэрозоля взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, например, частью курительного изделия. Устройство, генерирующее аэрозоль, может быть курительным устройством, взаимодействующим с субстратом, образующим аэрозоль, изделия, генерирующего аэрозоль, для выработки аэрозоля, непосредственно ингалируемого в легкие пользователя через рот пользователя. Устройство, генерирующее аэрозоль, может быть держателем.
Держатель нагревателя может образовывать поверхность, закрывающую один конец полости.
Устройство, предпочтительно, является портативным или карманным устройством, которое удобно держать между пальцами одной руки. Устройство может иметь, по существу, цилиндрическую форму и иметь длину от 70 до 120 мм. Предпочтительно, максимальный диаметр устройства составляет от 10 мм до 20 мм. В одном варианте осуществления устройство имеет многоугольное поперечное сечение и имеет выступающую кнопку, выполненную на одной из поверхностей. В этом варианте осуществления диаметр устройства составляет от 12,7 мм до 13,65 мм, измеренный от плоской поверхности до противоположной плоской поверхности; от 13,4 мм до 14,2 мм, измеренный от кромки до противоположной кромки (т.е. от пересечения двух поверхностей на одной стороне устройства до соответствующего пересечения на другой стороне), а также от 14,2 мм до 15 мм, измеренный от верхней части кнопки до противоположной нижней плоской поверхности.
Устройство может являться электрически нагреваемым курительным устройством.
Устройство может содержать другие нагреватели в дополнение к нагревательному блоку в соответствии с первым аспектом. Например, устройство может содержать внешний нагреватель, расположенный по периметру полости. Внешний нагреватель может принимать любую подходящую форму. Например, внешний нагреватель может принимать форму одного или нескольких видов гибкой нагревательной фольги на диэлектрической основе, такой как полиимид. Виды гибкой нагревательной фольги могут быть сложены в форму в соответствии с периметром полости. В качестве альтернативы, внешний нагреватель может принимать форму металлической решетки или решеток, гибкой печатной схемной платы, литого соединительного устройства (MID), керамического нагревателя, гибкого нагревателя из углеродного волокна или может быть образован с использованием метода покрытия, такого как плазменное осаждение из газовой фазы, на основании, имеющем подходящую форму. Внешний нагреватель может быть также образован с использованием металла, имеющего определенное соотношение температуры и сопротивления. В таком приведенном в качестве примера устройстве металл может быть образован в виде дорожки между двумя слоями подходящих изолирующих материалов. Внешний нагреватель, образованный таким образом, может быть использован как для нагревания, так и для отслеживания температуры внешнего нагревателя во время работы.
Источник питания может являться любым подходящим источником питания, например, источником напряжения постоянного тока, таким как батарея. В одном варианте осуществления источник питания является литий-ионной батареей. В качестве альтернативы, источник питания может являться никель-металлогидридной батареей, никель-кадмиевой батареей или литиевой батареей, например, литий-кобальтовой, литий-железо-фосфатной, литий-титановой или литий-полимерной батареей.
Элементом управления может быть обычный выключатель. В качестве альтернативы, управляющий элемент может быть электрической схемой и может содержать один или несколько микропроцессоров или микроконтроллеров.
В соответствии с третьим аспектом изобретения, предложена система, генерирующая аэрозоль, содержащая устройство, генерирующее аэрозоль, в соответствии со вторым аспектом изобретения и одно или несколько изделий, образующих аэрозоль, выполненных с возможностью размещения в полости устройства, генерирующего аэрозоль.
Устройство, образующее аэрозоль, может быть курительным изделием. Во время работы курительное изделие, содержащее субстрат, образующий аэрозоль, может частично находиться внутри устройства, генерирующего аэрозоль.
Курительное изделие может, по существу, иметь цилиндрическую форму. Курительное изделие может быть, по существу, вытянутым. Курительное изделие может иметь длину и окружность, по существу, перпендикулярную длине. Субстрат, образующий аэрозоль, может, по существу, иметь цилиндрическую форму. Субстрат, образующий аэрозоль, может иметь, по существу, вытянутую форму. Субстрат, образующий аэрозоль, может также иметь длину и окружность, по существу, перпендикулярную длине.
Курительное изделие может иметь общую длину от приблизительно 30 мм до приблизительно 100 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр от приблизительно 5 мм до приблизительно 12 мм. Курительное изделие может содержать штранг фильтра. Штранг фильтра может быть размещен на заднем по ходу конце курительного изделия. Штранг фильтра может являться штрангом фильтра из ацетата целлюлозы. Штранг фильтра в одном варианте осуществления имеет длину приблизительно 7 мм, но может иметь длину от приблизительно 5 мм до приблизительно 10 мм.
В одном варианте осуществления курительное изделие имеет общую длину приблизительно 45 мм. Курительное изделие может иметь внешний диаметр приблизительно 7,2 мм. Кроме того, субстрат, образующий аэрозоль, может иметь длину приблизительно 10 мм. В качестве альтернативы, субстрат, образующий аэрозоль, может иметь длину приблизительно 12 мм. Кроме того, диаметр субстрата, образующего аэрозоль, может составлять от приблизительно 5 мм до приблизительно 12 мм. Курительное изделие может содержать внешнюю бумажную обертку. Кроме того, курительное изделие может содержать разделительный элемент между субстратом, образующим аэрозоль, и штрангом фильтра. Разделительный элемент может составлять приблизительно 18 мм, но может находиться в диапазоне от приблизительно 5 мм до приблизительно 25 мм.
Субстрат, образующий аэрозоль, может являться твердым субстратом, образующим аэрозоль. В качестве альтернативы, субстрат, образующий аэрозоль, может содержать как твердые, так и жидкие компоненты. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать содержащий табак материал, содержащий летучие вкусоароматические соединения табака, которые высвобождаются из субстрата при нагревании. В качестве альтернативы, субстрат, образующий аэрозоль, может содержать материал, не содержащий табак. Субстрат, образующий аэрозоль, может дополнительно содержать вещество, образующее аэрозоль, которое облегчает образование плотного и стабильного аэрозоля. Примерами подходящих веществ, образующих аэрозоль, являются глицерин и пропиленгликоль.
Если субстрат, образующий аэрозоль, является твердым субстратом, образующим аэрозоль, то твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть представлен, например, в одной или нескольких формах: порошка, гранул, шариков, крупиц, тонких труб, полос или листов, содержащих один или несколько материалов: листья травы, табачный лист, фрагменты табачной жилки, восстановленный табак, гомогенизированный табак, экструдированный табак, восстановленный листовой табак и расширенный табак. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может иметь свободную форму или может быть предоставлен в подходящей емкости или картридже. Необязательно твердый субстрат, образующий аэрозоль, может содержать дополнительные летучие вкусоароматические соединения, содержащие или не содержащие табак, которые высвобождаются при нагревании субстрата. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может также содержать капсулы, которые, например, включают дополнительные летучие вкусоароматические соединения, содержащие или не содержащие табак, и такие капсулы могут таять во время нагревания твердого субстрата, образующего аэрозоль.
Как используется в данном документе, термин «гомогенизированный табак» относится к материалу, образованному агломерацией частиц табака. Гомогенизированный табак может иметь форму листа. Гомогенизированный табачный материал может иметь содержание вещества, образующего аэрозоль, более 5% в пересчете на сухой вес. Гомогенизированный табачный материал в альтернативном варианте может иметь содержание вещества, образующего аэрозоль, от 5% до 30% в пересчете на сухой вес. Листы гомогенизированного табачного материала могут быть образованы путем агломерации частиц табака, полученных путем измельчения или иного объединения одного или обоих видов материала: пластин табачного листа и стеблей табачного листа. В качестве альтернативы или в дополнение, листы гомогенизированного табачного материала могут содержать один или несколько видов материала: табачную пыль, табачную мелочь и другие побочные продукты частиц табака, образующихся в процессе, например, обработки, перемещения и отгрузки табака. Листы гомогенизированного табачного материала могут содержать одно или несколько внутренних связующих веществ, то есть табачных эндогенных связующих веществ, одно или несколько внешних связующих веществ, то есть табачных экзогенных связующих веществ, или их сочетание, что помогает агломерации частиц табака; в качестве альтернативы или в дополнение, листы гомогенизированного табачного материала могут содержать другие добавки, в том числе, но не ограничиваясь этим, волокна табачного или нетабачного происхождения, вещества, образующие аэрозоль, увлажнители, пластификаторы, ароматизаторы, наполнители, водные и неводные растворители и их комбинации.
Необязательно твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть также предоставлен на термоустойчивой подложке или встроен в нее. Подложка может принимать форму порошка, гранул, шариков, крупиц, тонких трубок, полосок или листов. В качестве альтернативы, подложка может являться трубчатой подложкой, имеющей тонкий слой твердого субстрата, нанесенный на ее внутреннюю поверхность, или на ее внешнюю поверхность, или как на внутреннюю, так и на внешнюю поверхность. Такая трубчатая подложка может быть выполнена, например, из бумаги или бумагоподобного материала, нетканого углеродного фибролита, легкого сетчатого металлического экрана или перфорированной металлической фольги, или любой другой термоустойчивой полимерной матрицы.
В особенно предпочтительном варианте осуществления субстрат, образующий аэрозоль, содержит собранный гофрированный лист гомогенизированного табачного материала. Как используется в данном документе, термин «гофрированный лист» обозначает лист, имеющий множество, по существу, параллельных складок или гофров. Предпочтительно, по существу, параллельные складки или гофры проходят вдоль или параллельно продольной оси изделия, генерирующего аэрозоль, когда изделие, генерирующее аэрозоль, собрано. Это преимущественно обеспечивает сбор гофрированного листа гомогенизированного табачного материала для образования субстрата, образующего аэрозоль. Тем не менее, следует понимать, что гофрированные листы гомогенизированного табачного материала для введения в изделие, генерирующее аэрозоль, могут, в качестве альтернативы или в дополнение, иметь множество, по существу, параллельных складок или гофров, которые расположены под острым или тупым углом к продольной оси изделия, генерирующего аэрозоль, когда изделие, генерирующее аэрозоль, собрано. В некоторых вариантах осуществления субстрат, образующий аэрозоль, может содержать собранный лист гомогенизированного табачного материала, который, по существу, равномерно текстурирован, по существу, по всей поверхности. Например, субстрат, образующий аэрозоль, может содержать собранный гофрированный лист гомогенизированного табачного материала, содержащий множество, по существу, параллельных складок или гофров, которые, по существу, равномерно разнесены по ширине листа.
Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть нанесен на поверхность подложки в форме, например, листа, пены, геля или суспензии. Твердый субстрат, образующий аэрозоль, может быть нанесен на всю поверхность подложки или, в качестве альтернативы, может быть нанесен в виде узора для предоставления неоднородной вкусоароматической подачи во время использования.
Система, генерирующая аэрозоль, представляет собой комбинацию устройства, генерирующего аэрозоль, и одного или нескольких изделий, генерирующих аэрозоль, для использования с устройством. Тем не менее, система, генерирующая аэрозоль, может включать в себя дополнительные компоненты, такие как, например, зарядное устройство для зарядки встроенного источника электропитания в приводимом в действие электричеством или электрическом устройстве, генерирующем аэрозоль.
В четвертом аспекте изобретения предложен способ изготовления нагревательного блока, включающий:
предоставление основания нагревателя;
нанесение одного или нескольких электрических резистивных нагревательных элементов на основание, при этом каждый нагревательный элемент содержит первый участок и второй участок, выполненные таким образом, что, когда электрический ток протекает через нагревательный элемент, первый участок нагревается до более высокой температуры, чем второй участок, в результате протекания электрического тока, причем первый участок нагревательного элемента наносят в зоне нагрева основания нагревателя, а второй участок нагревательного элемента наносят в зоне удерживания основания нагревателя; и
отливку держателя нагревателя на зоне удерживания основания нагревателя.
Предпочтительно, держатель нагревателя выполнен посредством литья под давлением. Держатель нагревателя может быть выполнен из полимера, который может быть отлит под давлением, такого как PEEK.
Предпочтительно, основание нагревателя имеет, по существу, форму лезвия. Компоненты нагревательного блока могут быть такими, которые описаны в первом аспекте изобретения.
Этап отливки может включать отливку держателя нагревателя таким образом, чтобы он окружал зону удерживания основания. Держатель нагревателя может непосредственно перекрывать второй участок нагревательного элемента.
В другом аспекте изобретения предусмотрен нагреватель для нагревания субстрата, образующего аэрозоль, при этом нагреватель содержит:
нагреватель, содержащий электрический резистивный нагревательный элемент и основание нагревателя;
причем нагревательный элемент содержит первый участок, выполненный из первого материала, и второй участок, выполненный из второго материала, отличного от первого материала, выполненные таким образом, что, когда электрический ток протекает через нагревательный элемент, первый участок нагревается до более высокой температуры, чем второй участок в результате протекания электрического тока.
В еще одном аспекте изобретения предложен нагревательный блок для нагревания субстрата, образующего аэрозоль, при этом нагревательный блок содержит:
нагреватель, содержащий электрический резистивный нагревательный элемент; и
держатель нагревателя, соединенный с нагревателем;
причем нагревательный элемент содержит первый участок и второй участок, выполненные таким образом, что, когда электрический ток протекает через нагревательный элемент, первый участок нагревается до более высокой температуры, чем второй участок, в результате протекания электрического тока; причем держатель нагревателя окружает второй участок нагревательного элемента и выполнен из литого полимерного материала.
Несмотря на то, что раскрытие было описано со ссылкой на различные аспекты, следует понимать, что особенности, описанные относительно одного аспекта раскрытия, могут быть применены к другим аспектам раскрытия. В частности, аспекты нагревателя, блока, устройства системы или способа в соответствии с одним из аспектов изобретения могут быть применены к любому другому аспекту изобретения. Кроме того, хотя раскрытие сделано со ссылкой на курительные устройства, должно быть ясно, что устройства типа медицинского ингалятора могут использовать свойства, приспособления и функциональные возможности, описанные в данном документе.
Варианты осуществления изобретения будут далее подробно описаны только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:
на фиг. 1 показана схематическая диаграмма устройства, генерирующего аэрозоль;
на фиг. 2 показано схематическое поперечное сечение переднего конца устройства, генерирующего аэрозоль, типа, показанного на фиг. 1, с нагревателем, вставленным в курительное изделие;
на фиг. 3 показано схематическое изображение нагревателя в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 4 показан нагреватель согласно фиг. 3 с держателем нагревателя в сборе;
на фиг. 5 показано поперечное сечение нагревателя согласно фиг. 3;
на фиг. 6 показана температурная кривая вдоль нагревателя типа, показанного на фиг. 3.
На фиг. 1 в упрощенном виде показаны компоненты варианта осуществления электрически нагреваемой системы 100, генерирующей аэрозоль. В частности, элементы электрически нагреваемой системы 100, генерирующей аэрозоль, на фиг. 1 изображены не в масштабе. Элементы, которые не релевантны для понимания этого варианта осуществления, были опущены для упрощения фиг. 1.
Электрически нагреваемая система 100, генерирующая аэрозоль, содержит устройство, генерирующее аэрозоль, имеющее корпус 10 и изделие 12, образующее аэрозоль, например, табачную палочку. Изделие 12, образующее аэрозоль, содержит субстрат, образующий аэрозоль, который проталкивается внутрь корпуса 10 для термического соприкосновения с нагревателем 14. Субстрат, образующий аэрозоль, высвобождает ряд летучих соединений при различных температурах. Посредством управления максимальной рабочей температурой электрически нагреваемой системы 100, генерирующей аэрозоль, поддерживая ее ниже определенного уровня, можно регулировать избирательное высвобождение нежелательных соединений, предотвращая высвобождение выбранных летучих соединений.
Внутри корпуса 10 находится источник 16 электроэнергии, например, перезаряжаемая литий-ионная батарея. Контроллер 18 соединен с нагревателем 14, источником 16 электроэнергии и интерфейсом 20 пользователя, например, кнопкой или дисплеем. Контроллер 18 управляет питанием, подаваемым на нагреватель 14, для регулировки его температуры. Субстрат, образующий аэрозоль, как правило, нагревается до температуры от 250 до 450 градусов по Цельсию.
На фиг. 2 показано схематическое поперечное сечение переднего конца устройства, генерирующего аэрозоль, типа, который показан на фиг. 1, с нагревателем 14, вставленным в изделие 12, образующее аэрозоль, которое в данном варианте осуществления является курительным изделием. Устройство, генерирующее аэрозоль, показано со вставленным изделием 12, генерирующим аэрозоль, для употребления изделия 12, генерирующего аэрозоль, пользователем.
Корпус 10 устройства, генерирующего аэрозоль, образует полость, открытую на ближнем конце (или конце со стороны рта), для приема изделия 12, генерирующего аэрозоль, для употребления. Дальний конец полости перекрыт нагревательным блоком 24, содержащим нагреватель 14 и держатель 26 нагревателя. Нагреватель 14 удерживается с помощью держателя 26 нагревателя таким образом, что активная зона нагрева нагревателя расположена внутри полости. Активная зона нагрева нагревателя 14 расположена в дальнем конце изделия 12, генерирующего аэрозоль, когда изделие 12, генерирующее аэрозоль, полностью вставлено в полость.
Нагреватель 14 имеет форму лезвия, заканчивающегося острием. То есть, длина нагревателя больше, чем его ширина, которая больше, чем его толщина. Первая и вторая поверхности нагревателя ограничены шириной и длиной нагревателя.
Пример изделия, образующего аэрозоль, как показано на фиг. 2, может быть описан следующим образом. Изделие 12, генерирующее аэрозоль, содержит четыре элемента: субстрат 30, образующий аэрозоль, опорный элемент, например, полую трубку 40, передающую секцию 50 и мундштучный фильтр 60. Эти четыре элемента расположены последовательно, выравнены по одной оси и объединены сигаретной бумагой 70 для образования, таким образом, стержня. В собранном виде изделие, образующее аэрозоль, имеет длину 45 миллиметров и диаметр 7 миллиметров.
Субстрат, образующий аэрозоль, содержит связку гофрированного восстановленного листового табака, завернутую в фильтровальную бумагу (не показана) с образованием штранга. Восстановленный листовой табак содержит одно или несколько веществ, образующих аэрозоль, например, глицерин.
Полая трубка 40, выполненная из ацетатцеллюлозной трубки, примыкает вплотную к субстрату 30, образующему аэрозоль. Трубка 40 ограничивает отверстие диаметром 3 миллиметра. Одной из функций полой трубки 40 является расположение субстрата 30, образующего аэрозоль, в дальнем конце 23 стержня 21 таким образом, чтобы он мог контактировать с нагревателем. Полая трубка 40 предотвращает вынужденное перемещение субстрата 30, образующего аэрозоль, вдоль стержня в направлении мундштука, когда нагреватель вставляется в субстрат 30, образующий аэрозоль.
Передающая секция 50 содержит тонкостенную трубку длиной 18 миллиметров. Передающая секция 50 позволяет летучим веществам, высвобожденным из субстрата 30, образующего аэрозоль, проходить вдоль изделия в направлении мундштучного фильтра 60. Летучие вещества могут охлаждаться в передающей секции с образованием аэрозоля.
Мундштучный фильтр 60 является традиционным мундштучным фильтром, выполненным из ацетата целлюлозы и имеющим длину приблизительно 7,5 миллиметров.
Четыре элемента, указанные выше, соединены путем плотного оборачивания сигаретной бумагой 70. Бумага в этом конкретном варианте осуществления является стандартной сигаретной бумагой, имеющей стандартные свойства или классификацию. Бумага в этом конкретном варианте осуществления является традиционной сигаретной бумагой. Граница между бумагой и каждым из элементов определяет местоположение элементов и ограничивает собой изделие 12, образующее аэрозоль.
Когда изделие 12, генерирующее аэрозоль, вставляется в полость, клиновидное острие нагревателя входит в субстрат 30, образующий аэрозоль. Путем приложения силы к изделию, образующему аэрозоль, нагреватель проникает в субстрат 30, образующий аэрозоль. Когда изделие 12, образующее аэрозоль, должным образом вставлено в устройство, генерирующее аэрозоль, то нагреватель 14 вставлен в субстрат 30, образующий аэрозоль. Когда нагреватель приводится в действие, субстрат 30, образующий аэрозоль, нагревается и летучие вещества производятся или выделяются. Когда пользователь затягивается через мундштучный фильтр 60, воздух поступает в изделие, образующее аэрозоль, и летучие вещества конденсируются с образованием ингалируемого аэрозоля. Этот аэрозоль поступает через мундштучный фильтр 60 изделия, образующего аэрозоль, в рот пользователя.
2
3
2
На фиг. 3 более подробно показан элемент 14 нагревателя типа, показанного на фиг. 2. Нагреватель 14 содержит электроизоляционное основание 80 нагревателя, которое определяет форму нагревательного элемента 14. Основание 80 нагревателя выполнено из электроизоляционного материала, который может быть, например, оксидом алюминия (AlO) или стабилизированным диоксидом циркония (ZrO). Любому специалисту в данной области техники будет очевидно, что электроизоляционный материал может быть любым подходящим электроизоляционным материалом, и что многие керамические материалы пригодны для использования в качестве электроизоляционного основания. Основание 80 нагревателя, по существу, имеет форму лезвия. То есть, основание нагревателя имеет длину, которая при использовании проходит вдоль продольной оси изделия, образующего аэрозоль, которое вставляется в нагреватель, ширину и толщину. Ширина больше толщины. Основание нагревателя 80 заканчивается острием или шипом 90 для проникновения в субстрат 30, образующий аэрозоль.
Нагревательный элемент 82, выполненный из электропроводящего материала, нанесен на плоскую поверхность основания 80 нагревателя с помощью напыления или любого другого подходящего метода. Нагревательный элемент образован из трех различных участков. Первый участок 84 выполнен из платины. Первый участок расположен в активной зоне 91 нагрева. Эта зона нагревателя достигает максимальной температуры и обеспечивает нагревание субстрата, образующего аэрозоль, при использовании. Первый участок имеет U-образную форму или форму шпильки. Второй участок 86 выполнен из золота. Второй участок содержит две параллельные дорожки, каждая из которых соединена с концом первого участка 84. Второй участок охватывает зону 93 удерживания нагревателя, которая является зоной нагревателя, контактирующей с держателем 26 нагревателя, как показано на фиг. 4. Третий участок 88 выполнен из серебра. Третий участок расположен в зоне 95 подключения и снабжен контактными площадками, к которым могут быть прикреплены внешние провода с помощью паяльной пасты или других методов соединения. Третий участок содержит две параллельные контактные площадки, каждая из которых соединена с концом одной из параллельных дорожек второго участка 86, противоположного первому участку 84. Третий участок 88 расположен на противоположной от первого участка стороне зоны 93 удерживания.
Форма, толщина и ширина первого, второго и третьего участков могут быть выбраны с целью обеспечения требуемого при использовании распределения сопротивления и температуры. В то же время, первый участок имеет значительно большее электрическое сопротивление на единицу длины, чем второй и третий участки, в результате, при протекании электрического тока через нагревательный элемент 82 первый участок выделяет наибольшее количество тепла, чем достигается самая высокая температура. Второй и третий участки выполнены с возможностью иметь очень низкое электрическое сопротивление и, таким образом, дают очень малый нагрев джоулевой теплотой. Общее электрическое сопротивление нагревательного элемента составляет приблизительно 0,80 Ом при 0°C, повышается приблизительно до 2 Ом при достижении активной зоной 91 нагрева температуры 400°C. Напряжение литий-ионной батареи составляет приблизительно 3,7 В, таким образом, типовой пиковый ток, подаваемый от источника питания (при 0°C) составляет приблизительно 4,6 A.
Платина имеет положительный температурный коэффициент сопротивления, и поэтому электрическое сопротивление первого участка 84 возрастает с увеличением температуры. Золото и серебро имеют более низкие температурные коэффициенты сопротивления, и второй и третий участки не будут подвержены влиянию роста температуры так сильно, как первый участок. Это означает, что изменения сопротивления второго и третьего участков будут незначительны по сравнению с изменениями сопротивления первого участка. В результате, сопротивление нагревательного элемента 82 может быть использовано для обеспечения измерения температуры первого участка 84 нагревательного элемента, которая является температурой участка нагревателя, контактирующего с субстратом, образующим аэрозоль. Устройство, использующее резистивный элемент и как нагреватель, и как датчик температуры, описано в EP2110033 B1.
На фиг. 4 показан нагреватель 14 в сборе с держателем 26 нагревателя для образования нагревательного блока. Держатель 26 нагревателя выполнен из полиэфирэфиркетона (PEEK) и с помощью литья под давлением вокруг нагревателя окружает зону 93 удерживания. Основание 80 нагревателя может быть выполнено с пазами или выступами в зоне удерживания для обеспечения сильной фиксации между держателем нагревателя и нагревателем. В этом варианте осуществления держатель 26 нагревателя имеет круглое поперечное сечение для соединения с круглым корпусом 10 устройства, генерирующего аэрозоль. Однако, держатель нагревателя может быть отлит в любой желаемой форме, и могут быть использованы любые желаемые особенности соединения с другими компонентами устройства, генерирующего аэрозоль.
На фиг. 5 показано схематическое поперечное сечение нагревателя, показанного на фиг. 3. На фиг. 5 показано, что существует перекрытие между первым, вторым и третьим участками нагревательного элемента. Конструкция нагревателя может быть описана следующим образом. Как первая, так и вторая поверхности основания 80 нагревателя покрыты слоями 92, 96 из стекла. Это защищает основание и улучшает распределение тепла по всей поверхности нагревателя в активной зоне нагрева. Затем на слой 92 из стекла наносят золотые дорожки, образующие второй участок 86 нагревательного элемента. Затем платиновую дорожку, образующую первый участок 84 нагревательного элемента, наносят на слой 92 из стекла с перекрытием по отношению к золотым дорожкам для обеспечения электрического контакта с малым сопротивлением между первым и вторым участками. Серебряные контактные площадки, образующие третий участок 88 нагревательного элемента, также наносят на слой 92 из стекла с перекрытием по отношению к золотым дорожкам для обеспечения электрического контакта с малым сопротивлением между третьим и вторым участками. В конце образуют вышележащий слой 94 из стекла, покрывающий нагревательный элемент 82 и защищающий нагревательный элемент от коррозии. Держатель нагревателя затем может быть отлит вокруг нагревателя.
Нагреватель выполнен таким образом, что активная зона нагрева, соответствующая первому участку нагревательного элемента, находится на расстоянии от держателя нагревателя. Зону нагревателя, которая простирается в полость устройства, генерирующего аэрозоль, называют зоной 97 вставки. Часть второго участка 86 нагревательного элемента, которая проходит в зону 97 вставки, образует зону передачи энергии.
График 100 на фиг. 6 показывает температуру нагревателя в зависимости от расстояния вдоль длины нагревателя во время работы нагревателя, показанного на фиг. 3. Нагреватель показан ниже графика таким образом, что график зависимости температуры совмещен с нагревателем. В идеальном случае нагреватель горячий в зоне 97 вставки и холодный в зоне 93 удерживания и в зоне 95 подключения. Идеальная температурная кривая 106 показана пунктирной линией. В действительности температурная кривая никогда не может так резко изменяться. Это можно увидеть по фактическому графику 100 температуры, показывающему, что нагреватель является наиболее горячим в активной зоне нагрева, где расположен первый участок нагревательного элемента. Во время генерирования аэрозоля максимальная температура составляет приблизительно 420°C. В зоне передачи энергии, между активной зоной нагрева и зоной удерживания, температура быстро падает. В этом варианте осуществления желательно, чтобы температура нагревателя была ниже, чем 200°C для держателя нагревателя, как показано линией 102. Максимально допустимая температура для держателя нагревателя будет зависеть от материала, используемого для исполнения держателя нагревателя. Положение ближайшей части держателя нагревателя к активной зоне нагрева показано линией 104. Нагреватель выполнен с возможностью обеспечения того, чтобы температура на держателе 26 нагревателя была меньше 200°C при достижении максимальной температуры активной зоной нагревателя при использовании. В примере, показанном на фиг. 6, расстояние между платиновым участком нагревательного элемента и держателем нагревателя составляет 3 мм. Это достаточное расстояние для обеспечения требуемого падения температуры. Золото выбрано в качестве материала для второго участка нагревательного элемента, потому что в дополнение к высокой электропроводности золото имеет относительно низкую теплопроводность, что обеспечивает быстрое падение температуры между активной зоной нагрева и зоной удерживания. Дополнительное падение температуры по меньшей мере приблизительно до 50°C, кроме того, желательно для участка зоны 95 подключения, входящей в третий участок 88 нагревательного элемента. В частности, желательно свести к минимуму температуру элемента 14, ближайшего к контроллеру 18, источнику 16 электроэнергии и интерфейсу 20 пользователя. Например, такая минимизация температуры уменьшит или устранит необходимость коррекции термочувствительных параметров электронных микросхем и/или систем, содержащих контроллер 18, источник 16 питания и интерфейс 20.
Приведенные в качестве примера варианты осуществления, описанные выше, представлены для иллюстрации, а не ограничения. Ввиду вышеописанных приведенных в качестве примера вариантов осуществления, другие варианты осуществления, соответствующие вышеуказанным приведенным в качестве примера вариантам осуществления, будут понятны специалисту в данной области техники.