УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ АЭРОЗОЛЯ И СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ НИКОТИН СОДЕРЖАЩЕГО АЭРОЗОЛЯ
AEROSOL GENERATION DEVICE AND METHOD FOR GENERATION OF NICOTINE-CONTAINING AEROSOL

Настоящее изобретение относится к системам, генерирующим аэрозоль, и, в частности, к системам, генерирующим аэрозоль, которые генерируют аэрозоли, содержащие никотин, за счет нагревания субстрата, образующего аэрозоль.
Одним из типов нагреваемой системы, генерирующей аэрозоль, которая генерирует аэрозоль, содержащий никотин, является электронная сигарета. Электронная сигарета обычно нагревает жидкость, содержащую никотин, и вещество для образования аэрозоля с генерированием аэрозоля.
Никотиносодержащие жидкости для использования потребителем в устройствах, генерирующих аэрозоль, таких как электронные сигареты, обычно содержат относительно низкую концентрацию никотина. Никотин в высоких концентрациях может раздражать кожу и является потенциально вредным при проглатывании. Некоторые юрисдикции регулируют концентрацию никотина в жидкости, например, устанавливают, что она не должна превышать 20 мг/мл.
Однако для того, чтобы электронные сигареты могли удовлетворять требования пользователей, которые раньше курили традиционные сигареты, необходимо, чтобы при каждой затяжке пользователя электронная сигарета доставляла количество никотина, сравнимое с сигаретами, которые они курили раньше. Без этого уровня доставки никотина вероятно возвращение пользователей к традиционным сигаретам.
При использовании никотиносодержащей жидкости с относительно низкой концентрацией никотина, такой как 20 мг/мл или менее, в качестве субстрата для генерирования аэрозоля затруднительно доставлять при каждой затяжке, осуществляемой пользователем, количество никотина, удовлетворяющее регулярных курильщиков. Предыдущие попытки решить эту проблему включали обеспечение вспомогательного источника никотина в твердой форме внутри устройства, генерирующего аэрозоль, из которого никотин высвобождается в результате нагревания или втягивания пара через него или за него. Однако это значительно повышает сложность и стоимость электронной сигареты. Кроме того, при использовании систем этого типа сложно добиться стабильной доставки никотина.
Было бы желательно создать такую систему, генерирующую аэрозоль, которая могла бы доставлять большее количество никотина при каждой затяжке пользователя с использованием никотиносодержащей жидкости с заданной концентрацией никотина, без необходимости в дополнительном источнике никотина.
В первом аспекте настоящего изобретения предложено устройство, генерирующее аэрозоль, содержащее:
нагреватель в сборе, содержащий по меньшей мере один нагревательный элемент;
субстрат, образующий аэрозоль, расположенный вблизи нагревателя в сборе, при этом субстрат, образующий аэрозоль, содержит жидкую смесь, содержащую никотин и первое вещество для образования аэрозоля, при этом первое вещество для образования аэрозоля имеет температуру кипения выше, чем у никотина;
источник питания для подачи мощности на нагреватель в сборе для генерирования аэрозоля из субстрата, образующего аэрозоль;
мундштук, на котором пользователь делает затяжку для втягивания аэрозоля из устройства, генерирующего аэрозоль; и
схему управления, выполненную с возможностью управления подачей мощности на нагреватель в сборе, причем схема управления выполнена с возможностью подачи первой мощности на по меньшей мере один нагревательный элемент нагревателя в сборе или подачи мощности, достаточной для поддержания по меньшей мере одного нагревательного элемента нагревателя в сборе при первой температуре или в первом диапазоне температур между затяжками, осуществляемыми пользователем, и выполнена с возможностью подачи второй мощности на по меньшей мере один нагревательный элемент нагревателя в сборе, при этом вторая мощность выше первой мощности или является достаточной для увеличения температуры по меньшей мере одного нагревательного элемента нагревателя в сборе выше первой температуры или первого диапазона температур во время затяжек, осуществляемых пользователем, для предпочтительного испарения никотина по сравнению с первым веществом для образования аэрозоля.
Полезно, что субстрат, образующий аэрозоль, нагревается нагревательным элементом как во время затяжек, так и между затяжками, осуществляемыми пользователем. Предпочтительно субстрат, образующий аэрозоль, остается в контакте с нагревательным элементом или вблизи него на протяжении всей работы устройства. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать жидкость, удерживаемую в материале для удерживания или в капилляре, контактирующем с нагревательным элементом или расположенным вблизи него. Нагревание субстрата, образующего аэрозоль, между затяжками, осуществляемыми пользователем, способствует предпочтительному испарению никотина.
Эта стратегия регулирования температуры способствует предпочтительному испарению никотина по сравнению с первым веществом для образования аэрозоля. Другими словами, образующийся пар будет иметь более высокую долю никотина относительно первого вещества для образования аэрозоля, чем жидкость. Это означает, что генерируемый аэрозоль, который образуется из пара, будет обеспечивать большее количество никотина на затяжку, осуществляемую пользователем, чем это было бы при простом нагревании жидкости во время затяжек, осуществляемых пользователем. За счет непрерывного поддержания жидкости при температуре вблизи точки кипения никотина поддерживается термодинамическое равновесие. Это обеспечивает значительное преимущественное испарение никотина по сравнению с первым веществом для образования аэрозоля. Температура нагревательного элемента или мощность, подаваемая на нагреватель в сборе, повышаются во время затяжек, осуществляемых пользователем, обеспечивая доставку пользователю достаточной плотности аэрозоля и достаточного количества никотина во время каждой затяжки. Это дает возможность использовать даже жидкости с относительно низкой концентрацией никотина для обеспечения удовлетворительных ощущений у пользователя.
Полезно, что первая температура или первый диапазон температур находится ниже точки кипения первого вещества для образования аэрозоля. Более предпочтительно, первая температура или первый диапазон температур ниже температуры кипения никотина. Это приводит к более значительной разнице в скорости испарения никотина и первого вещества для образования аэрозоля.
В настоящем документе веществом для образования аэрозоля называют любое подходящее известное соединение или смесь соединений, которые при использовании способствуют образованию плотного и стабильного аэрозоля и являются по существу стойкими к термическому разложению при рабочей температуре системы. Подходящие вещества для образования аэрозоля хорошо известны в данной области техники и включают, без ограничения: многоатомные спирты, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и глицерин; сложные эфиры многоатомных спиртов, такие как моно-, ди- или триацетат глицерина; и алифатические сложные эфиры моно-, ди- или поликарбоновых кислот, такие как диметилдодекандиоат и диметилтетрадекандиоат.
Точка кипения жидкости представляет собой температуру, при которой давление пара жидкости равно внешнему давлению среды, окружающей жидкость. В настоящем документе точка кипения относится к точке кипения при нормальных условияхилиточке кипения при атмосферном давлении, представляющей собой температуру, при которой давление пара жидкости равно давлению на уровне моря (1 атмосфере).
Первое вещество для образования аэрозоля может представлять собой глицерол, который также называют глицерином. Глицерин имеет более высокую точку кипения, чем никотин. Глицерин обычно используется в качестве вещества для образования аэрозоля, вдыхаемого человеком.
Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать второе вещество для образования аэрозоля, причем второе вещество для образования аэрозоля имеет более низкую температуру кипения, чем первое вещество для образования аэрозоля. Вещество для образования аэрозоля может представлять собой пропиленгликоль. Обеспечение второго вещества для образования аэрозоля с более низкой точкой кипения позволяет более тонко регулировать содержание никотина в образующемся аэрозоле. Второе вещество для образования аэрозоля может иметь точку кипения ниже, чем у никотина. Первая температура или первый диапазон температур могут быть выше, чем точка кипения второго вещества для образования аэрозоля.
Схема управления может быть выполнена с возможностью регулировки пользователем для выбора первой температуры, первого диапазона температур или первой мощности. Это может обеспечивать возможность выбора пользователем относительных количеств никотина и веществ для образования аэрозоля в аэрозоле. Первая температура или первый диапазон температур могут быть постоянными в ходе использования или могут меняться на протяжении сеанса использования.
Схема управления может быть выполнена с возможностью расчета второй мощности в зависимости от первой мощности, первой температуры или первого диапазона температур. Например, вторая температура может быть на предварительно заданное число градусов выше, чем выбранная первая температура. Или вторая мощность может быть на предварительно заданное число ватт выше, чем первая мощность. Первая мощность может представлять собой предварительно заданную мощность или мощность, необходимую для поддержания предварительно заданной первой температуры нагревательного элемента или образующего аэрозоль субстрата.
Нагреватель в сборе может содержать множество нагревательных элементов. Схема управления может быть выполнена с возможностью подачи мощности только на часть множества нагревательных элементов между затяжками, осуществляемыми пользователем. Схема управления может быть выполнена с возможностью подачи мощности на большую часть или все нагревательные элементы во время затяжек, осуществляемых пользователем. Таким образом, температура жидкого субстрата, образующего аэрозоль, может поддерживаться между затяжками, осуществляемыми пользователем, и повышаться во время затяжек, осуществляемых пользователем, по желанию.
Первая мощность может представлять собой мощность, достаточную для поддержания температуры нагревательного элемента или субстрата, образующего аэрозоль, около 200 градусов Цельсия. В одном варианте осуществления нагревательный элемент представляет собой резистивный нагревательный элемент с электрическим сопротивлением от 0,7 до 0,8 Ом, а первая мощность составляет приблизительно 2 Вт. Первая мощность может составлять от 1 до 3 Вт и более предпочтительно от 1,4 до 2 Вт.
Первая температура может составлять от 150 до 200 градусов Цельсия. Эта температура ниже, чем точка кипения никотина, но достаточно высока, чтобы обеспечить значительное испарение никотина.
Первый диапазон температур может составлять от 150 до 200 градусов Цельсия.
Вторая мощность может быть выбрана таким образом, чтобы обеспечить желаемое общее количество никотина, доставляемого за одну затяжку, и обеспечить желаемое общее количество конденсированного вещества в аэрозоле (ACM) на одну затяжку. Продолжительность подачи второй мощности также будет влиять на общее количество никотина, доставляемое за одну затяжку, и общее количество конденсированного вещества в аэрозоле, доставляемое за одну затяжку.
Вторая мощность может составлять от 2 до 6 Вт, более предпочтительно от 2,4 до 3 Вт. Вторая мощность может быть на 1-4 Вт больше, чем первая мощность. В одном варианте осуществления вторая мощность составляет 3 Вт, а первая мощность составляет 2 Вт.
Вторая мощность может представлять собой мощность, достаточную для поддержания нагревательного элемента субстрата, образующего аэрозоль, при второй температуре или в пределах второго диапазона температур. Вторая температура или второй диапазон температур может составлять от 200 до 250 градусов Цельсия. В одном варианте осуществления вторая температура составляет 220 градусов Цельсия.
Устройство может дополнительно содержать резервуар для жидкости, удерживающий жидкий субстрат, образующий аэрозоль, и механизм доставки жидкости, выполненный с возможностью доставки жидкого субстрата, образующего аэрозоль, из резервуара к нагревательному элементу. Механизм доставки жидкости может представлять собой активный механизм, такой как насос, или может представлять собой пассивный механизм, такой как капиллярный материал, описанный более подробно ниже.
Нагреватель в сборе может содержать нагревательный элемент, который нагревается одним из нескольких разных способов. Например, нагревательный элемент может нагреваться по резистивному механизму посредством пропускания тока через него, при этом ток обеспечивается источником питания. В альтернативном варианте осуществления или дополнительно нагревательный элемент может представлять собой токоприемник, который индуктивно нагревается магнитным полем, меняющимся во времени.
Нагреватель в сборе также может иметь ряд различных форм. В некоторых вариантах осуществления нагреватель в сборе содержит сетку нагревательных элементов или перфорированную нагревательную пластину. Нагреватель в сборе может содержать по существу плоский нагревательный элемент для обеспечения возможности простого изготовления. Нагревательный элемент может содержать плоскую нагревательную дорожку, например, в форме змеевика.
Нагревательный элемент может представлять собой матрицу нитей, например, расположенных параллельно друг другу. Предпочтительно, нити могут образовывать сетку. Сетка может быть тканой или нетканой. Сетка может быть выполнена с использованием различных типов плетеных или решетчатых структур. В альтернативном варианте осуществления электрически проводящий нагревательный элемент состоит из матрицы нитей или тканого полотна из нитей.
В предпочтительном варианте осуществления по существу плоский нагревательный элемент может быть выполнен из проволоки, которая образует проволочную сетку. Предпочтительно, сетка имеет конструкцию с гладким переплетением. Предпочтительно, нагревательный элемент представляет собой проволочную решетку, выполненную из сетчатых полос.
Нити могут образовывать промежутки между нитями, и эти промежутки могут иметь ширину от 10 до 100 микрометров. Предпочтительно, нити создают капиллярное действие в указанных промежутках так, что при использовании жидкость, предназначенная для испарения, втягивается в указанные промежутки, увеличивая площадь контакта между нагревательным элементом и жидким образующим аэрозоль субстратом.
Площадь сетки, матрицы или тканого полотна из электрически проводящих нитей может быть небольшой, например, меньшей или равной 50 квадратным миллиметрам, предпочтительно меньшей или равной 25 квадратным миллиметрам, более предпочтительно приблизительно равной 15 квадратным миллиметрам. Размер выбирается так, чтобы включить нагревательный элемент в удерживаемую рукой систему. Использование размеров сетки, матрицы или тканого полотна из электрически проводящих нитей, составляющих менее или равных 50 квадратным миллиметрам, снижает величину общей мощности, необходимой для нагрева сетки, матрицы или тканого полотна из электрически проводящих нитей, при этом все еще обеспечивая достаточный контакт сетки, матрицы или тканого полотна из электрически проводящих нитей с жидким субстратом, образующим аэрозоль. Сетка, матрица или тканое полотно из электрически проводящих нитей может, например, иметь прямоугольную форму с длиной, составляющей от 2 до 10 миллиметров, и шириной, составляющей от 2 до 10 миллиметров. Предпочтительно, сетка имеет размеры приблизительно 5 на 3 миллиметра.
Нити нагревательного элемента могут быть выполнены из любого материала с подходящими электрическими свойствами.Подходящие материалы включают, без ограничения: полупроводники, такие как легированная керамика, электрически «проводящая» керамика (такая как, например, 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 из 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, а также сплавы на основе железа, марганца и алюминия. Timetal представляет собой зарегистрированный товарный знак компании Titanium Metals Corporation. Нити могут быть покрыты одним или более изоляционными материалами. Предпочтительными материалами для электропроводных нитей являются нержавеющая сталь и графит, более предпочтительно нержавеющая сталь марок серии 300, таких как AISI 304, 316, 304L, 316L. Кроме того, электропроводный нагревательный элемент может содержать комбинации вышеописанных материалов. Комбинация материалов может использоваться для улучшения регулирования сопротивления по существу плоского нагревательного элемента. Например, материалы с высоким собственным сопротивлением могут комбинироваться с материалами с низким собственным сопротивлением. Это может обеспечить преимущество, если один из материалов является более предпочтительным по другим показателям, например, стоимости, обрабатываемости или другим физическим и химическим параметрам. По существу плоская компоновка нитей с повышенным сопротивлением обеспечивает преимущество, состоящее в снижении паразитных потерь. Нагреватели с высоким удельным сопротивлением обеспечивают преимущество, состоящее в возможности более эффективного использования энергии батареи.
Предпочтительно, нити изготовлены из проволоки. Более предпочтительно, проволока изготовлена из металла, наиболее предпочтительно из нержавеющей стали.
Электрическое сопротивление нитей нагревательного элемента может составлять от 0,3 до 4 Ом. Предпочтительно электрическое сопротивление равно или выше 0,5 Ом. Более предпочтительно, электрическое сопротивление нагревательного элемента составляет от 0,6 до 2 Ом, наиболее предпочтительно приблизительно 0,7 Ом.
Резервуар для жидкости может содержать материал для удержания жидкости, предназначенный для удержания жидкого субстрата, образующего аэрозоль. Материал для удержания жидкости может представлять собой пеноматериал и губчатый материал совокупности нитей. Материал для удержания жидкости может быть образован из полимера или сополимера. В одном варианте осуществления материал для удержания жидкости представляет собой скрученный полимер. Материал для удержания может представлять собой, например, пористое керамическое или стекловолокно.
Предпочтительно устройство содержит капиллярный материал для перемещения жидкого субстрата, образующего аэрозоль, к нагревательному элементу. Капиллярный материал может находиться в контакте с нагревательным элементом. Предпочтительно капиллярный материал расположен между нагревательным элементом и материалом для удержания.
Капиллярный материал может быть выполнен из материала, способного обеспечить контакт жидкого субстрата, образующего аэрозоль, с по меньшей мере частью поверхности нагревательного элемента. Капиллярный материал может проходить в пустоты в нагревательном элементе. Нагревательный элемент может втягивать жидкий субстрат, образующий аэрозоль, внутрь пустот за счет капиллярного действия.
Капиллярный материал представляет собой материал, который активно перемещает жидкость от одного конца материала к другому. Капиллярный материал может иметь волокнистую или губчатую структуру. Капиллярный материал предпочтительно содержит пучок капилляров. Например, капиллярный материал может содержать множество волокон, нитей или других трубок с узкими каналами. Волокна или нити могут быть, в целом, выровнены для перемещения жидкого субстрата, образующего аэрозоль, в направлении к нагревательному элементу. В альтернативном варианте осуществления капиллярный материал может содержать губкообразный или пенообразный материал. Структура капиллярного материала образует множество тонких каналов или трубок, через которые обеспечивается возможность переноса жидкого образующий аэрозоль субстрата за счет капиллярного действия. Капиллярный материал может содержать любой подходящий материал или комбинацию 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, например, изготовленный 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 для его использования с жидкостями, имеющими разные физические свойства. Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, имеет физические свойства, включая, без ограничения перечисленными: вязкость, поверхностное натяжение, плотность, теплопроводность, температуру кипения и давление пара, которые обеспечивают возможность перемещения жидкого субстрата, образующего аэрозоль, через капиллярную среду за счет капиллярного действия.
Материал для удержания жидкости и капиллярный материал могут быть теплостойкими до 250 градусов Цельсия. Удерживающий жидкость материал и капиллярный материал предпочтительно характеризуются сравнительно слабым взаимодействием с никотином.
Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, содержит жидкую смесь, содержащую никотин и первое вещество для образования аэрозоля. Предпочтительно жидкая смесь содержит не более 4% по массе никотина и, более предпочтительно, 2% по массе или меньше никотина. Жидкая смесь предпочтительно содержит не более 20 мг/мл.
Жидкая смесь может содержать до приблизительно 98% по массе первого вещества для образования аэрозоля. Предпочтительно, жидкая смесь содержит не более 75% по массе первого вещества для образования аэрозоля. Вещество для образования аэрозоля может представлять собой глицерин.
Предпочтительно, жидкая смесь содержит не более 25% по массе второго вещества для образования аэрозоля. Предпочтительно, жидкая смесь содержит по массе примерно в три раза больше первого вещества для образования аэрозоля, чем второго вещества для образования аэрозоля.
Жидкая смесь может содержать воду. Жидкая смесь может содержать ароматические соединения.
Источник питания преимущественно представляет собой батарею, такую как литий-ионная батарея. В альтернативном варианте осуществления источник питания может представлять собой устройство накопления заряда другого типа, такое как конденсатор. Источник питания может нуждаться в перезарядке. Например, источник питания может иметь емкость, достаточную для обеспечения возможности непрерывного генерирования аэрозоля в течение периода, равного приблизительно шести минутам, или в течение периода, кратного шести минутам.
Схема управления может содержать микроконтроллер. Микроконтроллер предпочтительно представляет собой программируемый микроконтроллер. Электрическая схема может содержать дополнительные электронные компоненты. Электрическая схема может быть выполнена с возможностью регулирования подачи мощности на нагреватель в сборе. Мощность может подаваться на нагреватель в сборе в виде импульсов электрического тока.
Схема управления может содержать датчик потока воздуха, расположенный с возможностью обнаружения затяжек, осуществляемых пользователем на системе. Датчик потока воздуха может содержать микрофон или емкостной датчик. В альтернативном варианте осуществления или дополнительно, о затяжках, осуществляемых пользователем, схеме управления может сигнализировать пользователь, нажимая кнопку на системе непосредственно перед или в процессе каждой затяжки, осуществляемой пользователем.
Предпочтительно устройство, генерирующее аэрозоль, может представлять собой удерживаемое в руке устройство. Предпочтительно устройство, генерирующее аэрозоль, является портативным. Устройство, генерирующее аэрозоль, может иметь размер, сопоставимый с традиционной сигарой или сигаретой. Устройство может иметь общую длину от приблизительно 30 до приблизительно 150 миллиметров. Устройство может иметь внешний диаметр от приблизительно 5 до приблизительно 30 миллиметров.
Устройство может представлять собой электрическое курительное устройство, такое как электронная сигарета. Устройство может содержать многоразовую часть, содержащую источник питания и схему управления, и расходную часть, содержащую субстрат, образующий аэрозоль. Нагреватель в сборе может находиться в многоразовой части, в расходной части или частично в обеих. В альтернативном варианте осуществления нагреватель в сборе может быть представлен в отдельном компоненте. Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может удерживаться в резервуаре. Резервуар может быть повторно заправляемым.
Во втором аспекте настоящего изобретения предложен способ генерирования никотиносодержащего аэрозоля из субстрата, образующего аэрозоль, в системе, генерирующей аэрозоль, на которой пользователь осуществляет затяжки при использовании, причем субстрат, образующий аэрозоль, содержит жидкую смесь, содержащую никотин и первое вещество для образования аэрозоля, при этом первое вещество для образования аэрозоля имеет температуру кипения выше, чем у никотина, при этом способ включает:
поддержание субстрата, образующего аэрозоль, в пределах первого диапазона температур между затяжками, осуществляемыми пользователем; и
нагревание субстрата, образующего аэрозоль, до второй температуры выше первого диапазона температур во время затяжек, осуществляемых пользователем, для предпочтительного испарения никотина относительно первого вещества для образования аэрозоля.
Предпочтительно вторая температура ниже температуры кипения первого вещества для образования аэрозоля. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать второе вещество для образования аэрозоля, причем второе вещество для образования аэрозоля имеет более низкую температуру кипения, чем первое вещество для образования аэрозоля.
Первый диапазон температур может быть ниже температуры кипения никотина и второго вещества для образования аэрозоля.
Следует понимать, что признаки, описанные в отношении первого аспекта настоящего изобретения, применимы и ко второму аспекту настоящего изобретения.
Настоящее изобретение обеспечивает преимущественное испарение никотина, что приводит к более высокой концентрации никотина в генерируемом аэрозоле, чем в жидком субстрате, образующем аэрозоль. Это позволяет обеспечивать удовлетворительные ощущения у пользователя, даже при использовании жидкости с низкой концентрацией никотина. Это помогает людям бросить курить обычные сигареты. Это также позволяет использовать жидкость с низкой концентрацией никотина, с которой легче обращаться во время транспортировки, а также во время использования, что особенно актуально для повторно заправляемых систем.
Варианты осуществления изобретения будут далее описаны лишь в качестве примера со ссылками на прилагаемые графические материалы, на которых:
на Фиг. 1 представлено упрощенное поперечное сечение системы, генерирующей аэрозоль, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 2 представлен вид в перспективе системы, изображенной на Фиг. 1;
на Фиг. 3 представлен поток воздуха через систему, изображенную на Фиг. 1; и
Фиг. 4 представляет собой график зависимости подачи мощности от времени в течение сеанса использования системы.
В системах, генерирующих аэрозоль для вдыхания пользователем путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль, обычно применяются два разных типа управления нагревом. Наиболее распространенный тип управления нагревом для жидкого субстрата, образующего аэрозоль, представляет собой так называемый «импульсный» нагрев, при котором некоторое количество жидкости быстро нагревается в течение короткого периода времени для генерирования пара. Указанный импульсный нагрев может совпадать по времени с осуществляемыми пользователем затяжками или вдыханиями аэрозоля, так что аэрозоль генерируется лишь во время затяжек, осуществляемых пользователем. Импульсный нагрев также используется для испарения тонких пленок или покрытий субстрата, образующего аэрозоль. Другой тип управления нагревом представляет собой так называемый «непрерывный» нагрев, при котором субстрат, образующий аэрозоль, нагревают в течение длительного периода, независимо от затяжек или вдыхания, осуществляемых пользователем. Этот тип управления нагреванием больше распространен при нагревании большего количества твердого субстрата, образующего аэрозоль, такого как табачные стержни.
В вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, используется сочетание непрерывного нагрева и импульсного нагрева для обеспечения предпочтительного испарения никотина из жидкой смеси с генерированием большего количества конденсированного вещества в аэрозоле (ACM) во время затяжки, осуществляемой пользователем. Предпочтительное испарение никотина означает, что никотин испаряется с существенно более высокой скоростью, чем по меньшей мере один другой компонент жидкой смеси, так что концентрация никотина в генерируемом паре выше, чем в жидкой смеси. Использование жидкой смеси, содержащей вещество для образования аэрозоля с более высокой температурой кипения, чем у никотина (или более низким парциальным давлением пара, чем у никотина), и сочетания непрерывного нагрева и импульсного нагрева позволяет достичь значительного повышения концентрации никотина в паре и, следовательно, в генерируемом аэрозоле. Поддержание жидкой смеси при температуре, более близкой к точке кипения никотина, чем к точке кипения вещества для образования аэрозоля, между затяжками, способствует преимущественному испарению никотина. Повышение температуры или повышение мощности, подаваемой на нагревательный элемент во время затяжек, осуществляемых пользователем, обеспечивает возможность доставки желаемого общего количества ACM и никотина при каждой затяжке, осуществляемой пользователем.
Предпочтительное испарение никотина позволяет использовать жидкие смеси с более низкими концентрациями никотина. Это дает преимущество, поскольку более низкие концентрации никотина в жидкости облегчают обращение с жидкостью во время производства, транспортировки и использования, что особенно полезно, если конечным пользователям необходимо перезаполнять системы, генерирующие аэрозоль, жидкостью. Это также позволяет использовать жидкости, которые четко соответствуют национальным или международным нормам, в то же время обеспечивая удовлетворительные ощущения для пользователя.
На Фиг. 1 показано упрощенное поперечное сечение системы 10, генерирующей аэрозоль, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Система, показанная на Фиг. 1, содержит картридж 20 и часть 40 устройства, которые соединены вместе.
Картридж содержит запас жидкого субстрата, образующего аэрозоль, и нагреватель в сборе. Часть устройства содержит источник питания и схему управления. Часть устройства выполняет функцию подачи электропитания на нагреватель в сборе в картридже с целью испарения жидкого субстрата, образующего аэрозоль. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, захватывается потоком воздуха через систему, причем поток воздуха образуется в результате осуществления пользователем затяжек через мундштук картриджа. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, охлаждается в потоке воздуха для образования аэрозоля, прежде чем втягивается в рот пользователя.
Фиг. 2 представляет собой вид в перспективе системы, показанной на Фиг. 1. Система, содержащая такие же аппаратные компоненты, описана в WO2018/019485.
Часть 40 устройства содержит корпус 46, содержащий литий-ионную батарею 42 и схему 44 управления. Часть устройства также содержит подпружиненные элементы электрических контактов (не показаны), выполненные с возможностью соединения с электрическими контактными площадками на нагревателе в сборе в картридже. Предусмотрена кнопка 41, которая активирует переключатель на схеме управления для активации устройства. Когда устройство активировано, схема управления подает питание от батареи на нагреватель в картридже.
Картридж 20 имеет мундштучный конец, содержащий мундштук 23, через который пользователь может выполнить затяжку. Мундштучный конец удален от части устройства. Конец устройства картриджа находится вблизи части устройства.
Картридж 20 содержит корпус 22. Внутри корпуса находится емкость 24 или контейнер для хранения, удерживающая(ий) жидкий субстрат 26, образующий аэрозоль. Контейнер для хранения открыт на конце устройства. Нагреватель в сборе, содержащий плоский сетчатый нагревательный элемент, удерживается на крышке 30 нагревателя. Крышка нагревателя размещена на открытом конце контейнера для хранения. Материал 32 для удержания жидкости помещен внутрь крышки. Капиллярный материал 31 расположен между нагревателем 28 в сборе и материалом 32 для удержания. Защитная крышка 33 помещена в корпус и удерживает нагреватель в сборе и крышку нагревателя в контейнере для хранения. Защитная крышка также покрывает нагревательный элемент и защищает его от повреждений.
Крышка 30 нагревателя имеет отверстие, образованное на передней поверхности, и нагреватель в сборе проходит поперек отверстия. Нагреватель в сборе содержит пару электрических контактных площадок, прикрепленных к крышке нагревателя, и нагревательный элемент, содержащий сетку электрически проводящих нитей нагрева, перекрывающих отверстие и прикрепленных к электрическим контактам на противоположных сторонах отверстия. Нагреватель в сборе этого типа описан в документе WO2015/117702.
Как видно на Фиг. 1, когда защитная крышка 33 находится на месте в картридже, она прижимается к периферии нагревателя в сборе, но не находится в контакте с нагревательным элементом. Путь потока воздуха внутрь и из нагревательного элемента проходит между защитной крышкой 33 и нагревателем в сборе 28, а также контейнером 24 для хранения, как будет описано более подробно со ссылкой на Фиг. 3.
Защитная крышка выполнена в форме, обеспечивающей барьер между путем потока воздуха, проходящего мимо нагревательного элемента, и электрическими контактными площадками. Защитная крышка соприкасается с нагревателем в сборе между открытой частью контактных площадок и центральной частью нагревательного элемента, чтобы обеспечить этот барьер и прикрепить нагреватель в сборе к контейнеру для хранения. Это расположение уменьшает вероятность появления протекшего или конденсированного жидкого субстрата, образующего аэрозоль, загрязняющего контактные поверхности электрических контактных площадок и элементы электрического контакта. Более того, чтобы в дальнейшем сократить вероятность попадания протекшей или конденсированной жидкости из пути потока воздуха на другие компоненты системы и их загрязнения, слой материала для удержания жидкости (не показан на фигурах) может быть нанесен на внутреннюю часть защитной крышки или на внешнюю часть контейнера для хранения с целью поглощения жидкости, которая сконденсировалась внутри пути потока воздуха.
Картридж 20 присоединен к части 40 устройства посредством нажимного соединения. Корпус картриджа образован с возможностью соединения картриджа 20 с частью 40 устройства только в двух ориентациях, обеспечивая расположение подпружиненных элементов электрического контакта в отверстиях и соединение с контактными площадками нагревателя в сборе. Соединяющее ребро 48 части устройства зацепляется за углубление 25 на корпусе картриджа, чтобы удержать картридж и часть устройства вместе.
Корпус 22 картриджа и контейнер 24 для хранения сформованы в виде одной части и выполнены из полипропилена. Материал 32 для удержания жидкости образован из сополимера полипропилена PET. Капиллярный материал 31 образован из стекловолокна. Крышка нагревателя выполнена из полиэфирэфиркетона (PEEK). Нагревательный элемент выполнен из нержавеющей стали, а электрические контактные площадки - из олова. Защитная крышка выполнена из жидкокристаллического полимера (LCP).
Чтобы собрать картридж, контейнер для хранения сначала наполняют субстратом, образующим аэрозоль. Материал 32 для удержания жидкости затем размещают внутри открытого конца контейнера для хранения, а капиллярный материал 31 помещают на материал для удержания жидкости. Затем крышку нагревателя, к которой уже прикреплен нагреватель в сборе, помещают в открытый конец контейнера для хранения. Контейнер для хранения и крышка нагревателя могут содержать специальные компоненты, гарантирующие правильное размещение крышки нагревателя на контейнере для хранения. Защитную крышку 33 затем прикрепляют к корпусу 22, чтобы удерживать на месте все компоненты картриджа.
Система представляет собой систему, удерживаемую рукой, имеющую такой размер, чтобы она удобно помещалась в руке пользователя. Во время использования, после соединения картриджа и части устройства, пользователь нажимает кнопку 41, чтобы активировать устройство. Затем пользователь делает затяжку через мундштук 23, втягивая воздух через систему. Схема управления подает мощность на нагреватель в сборе непрерывно после активации устройства и на основе обнаруженных затяжек, выполняемых пользователем, как будет описано ниже. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, проходит через нагревательный элемент и увлекается потоком воздуха, проходящим через систему.
Затяжки, осуществляемые пользователем, обнаруживаются датчиком потока (не показан), находящимся внутри части устройства, но пребывающем в сообщении по текучей среде с потоком воздуха через устройство. Однако в другом варианте осуществления датчик потока может отсутствовать, и пользователь должен нажимать кнопку 41 непосредственно перед каждой затяжкой.
На Фиг. 3 показан поток воздуха, проходящий через картридж, когда пользователь делает затяжку через мундштук 23. Воздух втягивается в систему через впускные отверстия 60, образованные между корпусом части устройства и корпусом 22 картриджа. Воздух затем проходит через отверстия, образованные в связующей детали части устройства, и внутрь полости, образованной между частью устройства и защитной крышкой 33. Затем воздух втягивается внутрь картриджа как через впускные отверстия 37 для воздуха на передней стенке защитной крышки, так и через впускные отверстия 50 для воздуха для разбавления. Воздух, втягиваемый через впускные отверстия 37 для воздуха, сталкивается с нагревательным элементом и захватывает испаренный субстрат, образующий аэрозоль. Смесь воздуха и пара вытягивается от нагревательного элемента по пути 54 потока воздуха между защитной крышкой 33 и контейнером 24 для хранения. Воздух, втянутый внутрь через впускные отверстия 50 для воздуха для разбавления, смешивается со смесью пара/воздуха из нагревателя в сборе. По мере прохождения смеси по пути 54 потока воздуха пар охлаждается и образуется аэрозоль. Аэрозоль втягивается в рот пользователя через мундштук 23.
Путь потока воздуха включает изгиб в 90 градусов, повторяющий внешнюю форму контейнера для хранения. Любые крупные капли жидкости или мусор не преодолеют изгиб на пути потока воздуха, а попадут на защитную крышку 33. Это способствует подаче пользователю только требуемого аэрозоля.
На Фиг. 4 проиллюстрирована подача мощности на нагревательный элемент во время работы системы типа, показанного на Фиг. 1, с целью предпочтительного испарения никотина относительно глицерина в жидкой смеси. Система активируется в момент времени t=0 пользователем, нажимающим кнопку 41. Схема 44 управления подает приблизительно 2 Вт на нагревательный элемент. Это повышает температуру жидкости вблизи нагревательного элемента до температуры от 180 до 200 градусов по Цельсию. Когда датчик потока обнаруживает затяжку, осуществляемую пользователем, схема управления обеспечивает короткое резкое повышение мощности. В данном примере схема управления подает 3 Вт мощности в течение 3 секунд. Благодаря потоку воздуха, проходящему мимо нагревательного элемента во время затяжки, осуществляемой пользователем, происходит охлаждение нагревательного элемента, а также уменьшение давления вблизи нагревательного элемента. Это означает, что в течение периода, когда подается более высокая мощность, имеет место лишь ограниченное увеличение температуры нагревательного элемента, но при этом значительное увеличение количества испарения жидкости. В данном примере нагревательный элемент достигает температуры не более 220 градусов Цельсия во время каждой затяжки, осуществляемой пользователем.
В данном примере жидкий субстрат 26, образующий аэрозоль, содержит 74% по массе глицерина, 24% по массе пропиленгликоля и 2% по массе никотина. Эта смесь может быть нагрета таким образом, чтобы никотин испарялся предпочтительно относительно глицерина. При нормальный условиях точка кипения никотина - 247 градусов Цельсия, глицерина - 290 градусов Цельсия, пропиленгликоля - 188 градусов Цельсия.
Было обнаружено, что эта стратегия управления нагревом обеспечивает почти 4% по массе никотина и менее 74% по массе глицерина в доставляемом аэрозоле в среднем на протяжении первых восьми затяжек сеанса использования.
Дополнительная мощность, подаваемая во время затяжек, увеличивает количество конденсированного вещества в аэрозоле (ACM) и общее количество доставляемого никотина по сравнению с постоянной подачей 2 Вт на протяжении всего сеанса. В частности, содержание ACM повышается с 1,4 до 2 мг/затяжку, а никотина - с приблизительно 20 до 50 мкг/затяжку.
В другом примере жидкий субстрат 26, образующий аэрозоль, содержит 98% по массе растительного глицерина, 24% и 2% по массе никотина. Используется та же стратегия управления мощностью, как и показанная на Фиг. 4. Полученный аэрозоль содержит 2,8% по массе никотина в среднем в течение первых восьми затяжек, что снова превышает концентрацию никотина в жидкости.
Дополнительная мощность, подаваемая во время затяжек, увеличивает количество конденсированного вещества в аэрозоле (ACM) и общее количество доставляемого никотина по сравнению с постоянной подачей 2 Вт на протяжении всего сеанса. В частности, содержание ACM повышается с 1,4 до 2,25 мг/затяжку, а никотина - с приблизительно 32 до 40 мкг/затяжку.
Было обнаружено, что подача мощности, превышающей 3 Вт, во время затяжек, осуществляемых пользователем, дополнительно повышает ACM и общий доставляемый никотин, но не приводит к существенному улучшению процентной массовой доли никотина в доставляемом аэрозоле.
В приведенных выше примерах мощность подают на основе предварительно заданных уровней мощности. Вместо этого возможно управление на основе требуемых температур. Температура нагревательного элемента может быть определена путем отслеживания его сопротивления или посредством использования отдельного специализированного датчика температуры. Например, нагревательный элемент может поддерживаться при первой температуре, например, 200 градусов Цельсия, между затяжками, осуществляемыми пользователем, а во время каждой затяжки, осуществляемой пользователем, мощность может повышаться на 1 Вт, или температура может повышаться на 20 градусов Цельсия. Могут применяться различные комбинации управления на основе мощности или температуры. Управление температурой может быть основано на диапазонах температур, а не на отдельных целевых температурах. Управление мощностью может осуществляться путем управления коэффициентом заполнения импульсной последовательности тока, подаваемого на нагревательный элемент или элементы.
Также возможно использовать ту же стратегию управления, используя разные типы нагревателя. Требуемый уровень мощности будет зависеть от свойств нагревательного элемента, а также от того, является ли он резистивным нагревателем, в частности, от его электрического сопротивления.
Разные пользователи могут предпочитать разные свойства аэрозоля. Соответственно, также возможно обеспечить возможность установки пользователем первой мощности или первой температуры первого диапазона температур либо второй мощности или второй температуры, или любой комбинации этих параметров. Схема управления может быть выполнена с возможностью программирования пользователем с помощью подходящего пользовательского интерфейса, либо на системе, либо на подключенном компьютере, планшете или смартфоне.
Также возможна автоматическая установка первой мощности или первой температуры первого диапазона температур либо второй мощности или второй температуры, или любой комбинации этих параметров на основе вида жидкой смеси, используемой в качестве субстрата, образующего аэрозоль. Вид жидкой смеси может определяться путем считывания штрих-кода или других знаков на картридже, или может вводиться пользователем с помощью подходящего пользовательского интерфейса либо на системе, либо на подключенном компьютере, планшете или смартфоне. Разные жидкие смеси может быть полезно нагревать до разных температур.
Вышеописанные примеры вариантов осуществления являются иллюстративными, а не ограничивающими. После ознакомления с представленными в качестве примера вариантами осуществления, рассмотренными выше, специалисту в данной области техники будут очевидны другие варианты осуществления, соответствующие вышеописанным представленным в качестве примера вариантам осуществления.