НАГРЕВАЕМЫЙ КУРИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
HEATED SMOKING MATERIAL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к нагреваемому курительному материалу.
Уровень техники
В процессе использования курительных изделий, в частности, сигарет и сигар, происходит сжигание табака, сопровождаемое выделением табачного дыма. Предпринимались попытки разработать альтернативные курительные изделия, обеспечивающие выделение требуемых летучих соединений без создания табачного дыма. Примерами таких устройств являются так называемые «нагреваемые курительные изделия», в которых выделение требуемых ингредиентов происходит в результате нагрева, а не горения табака.
Раскрытие изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается нагревательное устройство для курительного материала, содержащее подложку и, по меньшей мере, один печатный нагревательный элемент, способный обеспечивать нагрев подложки до температуры испарения курительного материала, чтобы вызвать на подложке испарение, по меньшей мере, одного компонента курительного материала для затяжки.
Нагревательный элемент может быть расположен, по меньшей мере, частично в пределах подложки.
Коэффициент теплового расширения нагревательного элемента может быть, по существу, равен коэффициенту теплового расширения подложки.
Нагревательный элемент может быть химически связан с подложкой.
Нагревательный элемент и подложка могут представлять собой единую спеченную структуру.
Нагревательный элемент может содержать в подложке контур, имеющий высокое электрическое сопротивление.
Подложка может содержать керамический материал.
Подложка может быть расположена близко к нагревательной камере для курительного материала, способной вмещать определенную массу нагреваемого курительного материала.
Устройство может содержать некоторое количество нагревательных элементов, размещенных послойно в пределах подложки.
Послойно расположенные нагревательные элементы могут быть взаимосвязаны перемычками, проходящими через подложку.
Согласно настоящему изобретению предлагается нагревательное устройство для курительного материала, содержащее нагреватель, обеспечивающий нагрев курительного материала, вызывающий испарение, по меньшей мере, одного компонента курительного материала для затяжки, причем нагреватель содержит подложку и нагревательные элементы, имеющие по существу, одинаковый коэффициент термического расширения.
Нагревательный элемент может быть нанесен печатью на подложку.
Нагревательный элемент предназначен обеспечивать нагрев подложки до температуры, достаточной для испарения, по меньшей мере, одного компонента курительного материала, непосредственно примыкающего к нагревательной камере.
Нагревательный элемент может быть расположен, по меньшей мере, частично в пределах подложки.
Нагревательный элемент может быть химически связан с подложкой.
Нагреватель может представлять собой спеченную структуру, содержащую нагревательный элемент и подложку.
Нагревательный элемент может содержать в подложке контур, имеющий высокое электрическое сопротивление, а подложка может содержать керамический материал.
Устройство может содержать некоторое количество нагревательных элементов, послойно размещенных в пределах подложки.
Послойно расположенные нагревательные элементы могут быть взаимосвязаны перемычками, проходящими через подложку.
Согласно настоящему изобретению, к тому же, предлагается нагревательное устройство, содержащее нагреватель, способный обеспечить нагрев курительного материала, вызывающий испарение, по меньшей мере, одного компонента курительного материала для затяжки, причем нагреватель представляет собой многослойную структуру, содержащую керамический материал и нагревательные элементы, имеющие высокое электрическое сопротивление.
Контуры нагревательных элементов, имеющих высокое электрическое сопротивление, могут быть расположены в керамическом материале.
Нагревательные элементы могут быть химически связаны с керамическим материалом в спеченной структуру.
Коэффициент теплового расширения керамического материала может быть, по существу, равен коэффициенту теплового расширения нагревательных элементов.
Нагревательные элементы могут содержать вольфрам, а керамический материал может представлять собой керамику на основе нитрида алюминия.
Нагревательные элементы могут быть нанесены печатью на подложку.
Нагревательные элементы предназначены обеспечивать нагрев керамического материала до температуры, достаточной для испарения, по меньшей мере, одного компонента курительного материала, размещенного в нагревательной камере и примыкающего к керамическому материалу.
Нагревательные элементы могут быть расположены в керамическом материале.
Послойно расположенные нагревательные элементы могут быть взаимосвязаны перемычками, проходящими через керамический материал.
Согласно изобретению также предлагается нагревательное устройство, содержащее нагреватель, предназначенный нагревать курительный материал, при этом нагреватель содержит подложку и, по меньшей мере, один нагревательный элемент, расположенный в пределах подложки и обеспечивающий нагрев подложки, вызывающий испарение, по меньшей мере, одного компонента курительного материала для затяжки.
Нагреватель может иметь структуру, обладающую соответствующим тепловым расширением.
Коэффициент теплового расширения нагревательного элемента может быть, по существу, равен коэффициенту теплового расширения подложки.
Нагревательный элемент и подложка могут быть подвергнуты спеканию для образования химически связанной структуры.
Подложка может быть выполнена из керамического материала, а нагревательный элемент может иметь контур из материала с высоким электрическим сопротивлением.
Подложка может примыкать к нагревательной камере для курительного материала, способной вмещать определенную массу нагреваемого курительного материала.
Устройство может содержать некоторое количество нагревательных элементов, размещенных послойно в пределах подложки.
Послойно размещенные нагревательные элементы могут быть взаимосвязаны перемычками, проходящими через подложку.
Устройство может быть способно обеспечить нагрев курительного материала до температуры испарения курительного материала, составляющей, по меньшей мере, 120°C.
Устройство может быть способно обеспечить нагрев курительного материала до температуры испарения курительного материала, составляющей от 120°C до 250°C.
Устройство может быть способно обеспечить нагрев курительного материала до температуры испарения курительного материала, составляющей от 130°C до 180°C.
Благодаря настоящему изобретению упрощается применение, по меньшей мере, одного печатного нагревательного элемента, предназначенного обеспечивать нагрев подложки до температуры испарения, по меньшей мере, одного компонента курительного материала для затяжки.
Благодаря настоящему изобретению упрощается применение нагревателя, содержащего подложку и нагревательный элемент, имеющие, по существу, одинаковый коэффициент теплового расширения, и обеспечивающего нагрев курительного материала, вызывающий испарение, по меньшей мере, одного компонента курительного материала для затяжки.
Благодаря настоящему изобретению упрощается применение нагревателя, представляющего собой многослойную структуру из керамического материала и нагревательных элементов, имеющих высокое электрическое сопротивление и обеспечивающих нагрев курительного материала, вызывающий испарение, по меньшей мере, одного компонента курительного материала для затяжки.
Благодаря настоящему изобретению упрощается применение нагревателя, содержащего подложку и, по меньшей мере, один нагревательный элемент, расположенный в пределах подложки и обеспечивающий нагрев подложки, вызывающий испарение, по меньшей мере, одного компонента курительного материала для затяжки.
Согласно настоящему изобретению предлагается способ нагрева курительного материала, включающий нагрев подложки до температуры испарения курительного материала посредством, по меньшей мере, одного печатного нагревательного элемента, предназначенного обеспечить нагрев подложки, вызывающий испарение, по меньшей мере, одного компонента курительного материала для затяжки.
Согласно настоящему изобретению предлагается способ нагрева курительного материала, включающий нагрев подложки до температуры испарения курительного материала посредством, по меньшей мере, одного нагревательного элемента, расположенного в пределах подложки и обеспечивающего нагрев подложки, вызывающий испарение, по меньшей мере, одного компонента курительного материала для затяжки.
Варианты осуществления настоящего изобретения, сопровождаемые прилагаемыми чертежами, будут описываться ниже исключительно с иллюстративной целью.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематичное изображение нагревателя для курительного материала, содержащего подложку и послойно расположенные нагревательные элементы, взаимосвязанные перемычками, проходящими через подложку.
Фиг. 2 - схематичный вид в разрезе иллюстративного устройства, способного обеспечить нагрев курительного материала, вызывающий выделение ароматических соединений и/или никотина из указанного курительного материала.
Фиг. 3 - вид в перспективе с местным разрезом иллюстративного устройства, способного обеспечить нагрев курительного материала, вызывающий выделение ароматических соединений и/или никотина из указанного курительного материала.
Фиг. 4 - иллюстративный вид в перспективе с местным разрезом устройства, способного обеспечить нагрев курительного материала, причем курительный материал размещен вокруг удлиненного нагревателя, разделенного на радиальные нагревательные секции.
Фиг. 5 - изображение в разобранном виде с местным разрезом устройства, способного обеспечить нагрев курительного материала, причем курительный материал размещен вокруг удлиненного нагревателя, разделенного на радиальные нагревательные секции.
Фиг. 6 - блок-схема активизации нагрева последовательно нагреваемых областей курительного материала с открытием и закрытием клапанов нагревательной камеры при затяжке.
Фиг. 7 - схематичная иллюстрация прохождения газообразного потока через устройство, выполненное с возможностью нагрева курительного материала.
Фиг. 8 - иллюстративный график профиля распределения температур при нагреве курительного материала с использованием нагревателя.
Фиг. 9 - схематичная иллюстрация сжимающего элемента, способного уплотнять курительный материал во время нагрева.
Фиг. 10 - схематичная иллюстрация расширяющего элемента, способного разрыхлять курительный материал во время курения.
Фиг. 11 - блок-схема уплотнения курительного материала во время нагрева и разрыхления курительного материала для курения.
Фиг. 12 - схематичный вид в разрезе секции вакуумной изоляции, способной предотвратить рассеяние тепла от нагретого курительного материала.
Фиг. 13 - другой схематичный вид в разрезе секции вакуумной изоляции, способной предотвратить рассеяние тепла от нагретого курительного материала.
Фиг. 14 - схематичный вид в разрезе жаростойкого термического мостика, который продолжается по криволинейной траектории от высокотемпературной изоляционной стенки к низкотемпературной изоляционной стенке.
Фиг. 15 - схематичный вид в разрезе теплового экрана и теплопрозрачного отверстия, которые являются подвижными относительно массы курительного материала, благодаря чему через указанное отверстие тепловая энергия выборочно подводится к разным областям курительного материала.
Фиг. 16 - схематичный вид в разрезе части устройства, способного обеспечивать требуемый нагрев курительного материала и содержащего обратные клапаны для герметизации нагревательной камеры.
Фиг. 17 - схематичный местный вид в разрезе глубоковакуумной изоляции, способной теплоизолировать устройство, обеспечивающее нагрев курительного материала.
Осуществление изобретения
В контексте описания настоящего изобретения под термином «курительный материал» подразумевается любой материал, содержащий компоненты, испаряющиеся при нагреве, а именно, любой табакосодержащий материал, например, содержащий один или несколько видов табака, производные табака, вспененный табак, восстановленный табак или заменители табака.
Устройство 1 для нагрева курительного материала содержит источник 2 энергии, нагреватель 3 и нагревательную камеру 4. Источником 2 энергии может служить батарея, например, литиево-ионная батарея, никелевая батарея, щелочная батарея и/или аналогичная батарея, электрически соединенная с нагревателем 3 для снабжения, когда требуется, нагревателя 3 электрической энергией. Следует отметить, что дополнительно или вместо батареи в качестве источника 2 могут использоваться другие источники энергии, например, один или несколько топливных элементов и/или другие безбатарейные источники электроэнергии. Нагревательная камера 4 способна вмещать нагреваемый курительный материал 5. Нагревательная камера 4 может, например, примыкать к нагревателю 3, чтобы нагрев курительного материала 5 происходил за счет тепловой энергии, поступающей от нагревателя 3. Под действием тепла, поступающего от нагревателя 3, происходит нагрев курительного материала 5, вызывающий испарение присутствующих в курительном материале 5 ароматических соединений и никотина без воспламенения курительного материала 5. Курительный материал 5 может содержать смесь разных сортов табака. Предусмотрен мундштук 6, через который пользователь устройства 1 может вдыхать испаренные летучие соединения во время использования устройства 1.
Корпус 7 может содержать компоненты устройства 1, например, источник 2 энергии и нагреватель 3. Как схематично показано на фиг. 2, корпус 7 может представлять собой, практически, цилиндрическую трубку, содержащую источник 2 энергии, расположенный вблизи первого конца 8 корпуса, нагреватель 3 и нагревательную камеру 4, которые расположены вблизи противолежащего второго конца 9 корпуса. Источник 2 энергии и нагреватель 3 могут продолжаться вдоль продольной оси корпуса 7. Например, как показано на фиг. 2, источник 2 энергии и нагреватель 3 могут быть выровнены вдоль центральной продольной оси корпуса 7 и расположены, по существу, впритык, то есть торец источника 2 энергии обращен, по существу, к торцу нагревателя 3. Мундштук 6 может быть расположен на втором конце 9 корпуса 7, рядом с нагревательной камерой 4, содержащей курительный материал 5.
Длина корпуса 7 может составлять приблизительно 130 мм. К примеру, длина источника 2 энергии составляет приблизительно 59 мм. Длина нагревателя 3 и, соответственно, область нагрева нагревательной камеры 4 может составлять приблизительно 50 мм. Глубина, например диаметр, нагревательной камеры 4 может составлять приблизительно от 5 мм и до приблизительно 15 мм, в частности, приблизительно от 8 мм до приблизительно 10 мм. Диаметр источника 2 энергии может составлять приблизительно от 10,0 мм до приблизительно 15,0 мм, в частности, может составлять 14,6 мм. Диаметр корпуса 7 может составлять приблизительно от 11 мм до приблизительно 18 мм. Например, диаметр первого конца 8 корпуса может составлять 18 мм, в то время как диаметр мундштука 6 на втором конце 9 корпуса может составлять 15 мм. В качестве альтернативы указанные элементы могут иметь размеры, отличающиеся от приведенных выше.
Корпус 7 устройства 1 приспособлен для захвата пользователем, втягивающим в процессе использования устройства 1 испаренные компоненты курительного материала через мундштук 6.
Между источником 2 энергии и нагревателем 3 может быть предусмотрена теплоизоляция, предотвращающая прямую передачу тепла от одного компонента к другому.
Нагреватель 3 может представлять собой печатный нагреватель 3. Например, нагреватель 3 может содержать подложку 3a и один или несколько нагревательных элементов 3b, которые могут быть выполнены печатью на подложке 3a или в подложке 3a. Как будет описываться ниже, нагревательные элементы 3b способны обеспечивать нагрев подложки 3a с большой скоростью, чтобы во время нагрева курительного материала 5 подложка 3a и нагревательные элементы 3b имели, по существу, одинаковую температуру.
Подложка 3a может содержать керамический материал, например, представляющий собой керамику на основе нитрида алюминия, а нагревательные элементы 3b могут представлять собой элементы контура, имеющие высокое сопротивление и нагреваемые проходящим электрическим током. Нагревательные элементы 3b могут содержать металл, имеющий высокое электрическое сопротивление, например, вольфрам. Ток в нагревательных элементах 3b создается под действием электродвижущей силы источника 2 энергии, который электрически соединен с нагревателем 3.
Нагревательные элементы 3b для нагрева подложки 3a размещены в подложке 3a или на подложке 3a. Как упомянуто выше, предусмотрено такое расположение нагревательных элементов 3b в подложке 3a или на подложке 3, чтобы обеспечивался нагрев подложки 3a приблизительно до той же температуры, которую имеют нагревательные элементы 3b.
Нагревательные элементы 3b способны обеспечить нагрев подложки 3a до температуры испарения курительного материала 5, таким образом, тепло от нагретой подложки 3a вызывает испарение компонентов курительного материала 5 для затяжки через мундштук 6. Соответственно, курительный материал 5 в зоне нагрева нагревательной камеры 4 может быть нагрет как нагревательными элементами 3b, так и нагретой подложкой 3a. Скорость повышения температуры подложки 3a во время нагрева может, по существу, соответствовать скорости повышения температуры нагревательных элементов 3b. Таким образом, во время нагрева курительного материала 5 температура нагревательных элементов 3b и подложки 3a может быть приблизительно одинаковой.
Нагреватель 3 может иметь такую конструкцию, чтобы периферийными поверхностями нагревателя 3 служили, преимущественно, периферийные поверхности нагреваемой подложки 3a и нагрев курительного материала 5 происходил, преимущественно, за счет тепла, испускаемого нагретой подложкой 3a, а не непосредственно нагревательными элементами 3b. Например, как будет описано ниже и схематично показано на фиг. 1, нагревательные элементы 3b могут быть расположены, преимущественно, или полностью в подложке 3a, причем слои нагревательных элементов 3b чередуются со слоями подложки 3a.
Коэффициент теплового расширения нагревательных элементов 3b может быть согласован с коэффициентом теплового расширения подложки 3a. В частности, величина коэффициента теплового расширения нагревательных элементов 3b может быть, по существу, равна величине коэффициента теплового расширения подложки 3a. Таким образом, нагревательные элементы 3b совместно с подложкой 3 формируют согласованно расширяющуюся структуру нагревателя 3.
Согласование коэффициентов теплового расширения подложки 3a и нагревательных элементов 3b означает, что тепловое расширение нагревательных элементов 3b соответственно согласуется с тепловым расширением подложки 3a. Аналогично, тепловое сжатие нагревательных элементов 3b согласуется с тепловым сжатием подложки 3a. Понятие «согласованно расширяющаяся структура» относится к структуре нагревателя 3, компоненты которого при нагреве/охлаждении расширяются/сжимаются, по существу, с одинаковой скоростью и на одинаковую величину как единое целое. Таким образом, напряжения расширения и сжатия, воздействующие на структуру нагревателя 3, являются небольшими, следовательно, нагреватель может подвергаться быстрым, значительным и часто повторяющимся температурным изменениям, при этом в структуре нагревателя 3 не возникают существенные напряжения.
Подложка 3a и нагревательные элементы 3b могут быть химически связаны в структуре нагревателя 3. Например, химические связи между подложкой 3a и нагревательными элементами 3b могут быть образованы в процессе спекания подложки 3a и нагревательных элементов 3b, сплавляемых вместе при подводе тепла для создания цельной структуры нагревателя 3.
Точнее говоря, для создания химически связанной структуры нагревателя 3 сначала на одну или несколько поверхностей материала подложки 3a наносят материал нагревательного элемента 3b в жидком виде, то есть прослаивают материал подложки 3a материалом нагревательного элемента 3b и спекают слоистую сборку для формирования связанной структуры нагревателя 3. Вышесказанное схематично проиллюстрировано на фиг. 1.
Нанесение жидкого материала нагревательного элемента 3b на материал подложки 3a может быть выполнено, например, посредством печати жидким материалом 3b. Поскольку нанесение жидкого нагревательного элемента 3b в требуемое местоположение на подложке 3a может быть выполнено чрезвычайно точно с очень малыми допусками, например, порядка микрометров или нанометров, нагревательные элементы 3b способны сформировать на подложке 3a специальные области нагрева. Подходящим является процесс печати с использованием установки трафаретной печати для нанесения на материал подложки 3a материала нагревательного элемента 3b в жидком виде, например, в виде чернил.
Материал подложки 3a может содержать подходящие связующие и/или пластификаторы, которые способствуют формированию слоистой структуры нагревателя 3 перед формированием химических связей во время спекания. Дополнительно или альтернативно, жидкий материал нагревательного элемента 3b может содержать подходящие связующие и/или пластификаторы. Они могут иметь одинаковый состав со связующими и/или пластификаторами, содержащимися в материале подложки 3a.
Материал подложки 3a, на который наносят материал нагревательного элемента 3b, может представлять собой предварительно спеченные слои 3a, например, предварительно спеченные секции керамической ленты, которые наплавляются друг на друга, чтобы сформировать слоистую структуру, содержащую как подложку 3a, так и материал нагревательного элемента 3b. В слоях материала подложки 3a могут быть сформированы одна или несколько перемычек, которые заполняются жидким нагретым материалом нагревательного элемента 3b для формирования, в конечном счете, соединений между слоями нагревательных элементов 3b в нагревателе 3. В частности, каждый слой нагревательных элементов 3b может быть взаимосвязан с одним или несколькими другими слоями нагревательных элементов 3b посредством перемычек, которые проходят через подложку 3a.
Перемычки могут быть сформированы любым подходящим способом. Например, перемычки можно сформировать, пробивая отверстия в отдельных слоях подложки 3a перед наложением слоев подложки 3a поверх друг друга в структуре нагревателя 3. Отверстия в слоях подложки 3a должны быть выровнены в слоистой структуре относительно друг друга, чтобы во время спекания создавались соединения между множеством слоев нагревательных элементов 3b. Перемычки, сформированные между слоями нагревательных элементов 3b, могут иметь любую подходящую конфигурацию, включая трехмерную конфигурацию.
На подложке 3a, при необходимости, может быть напечатано множество электрических схем, чтобы обеспечивались управляющие сигналы или сигналы измерения к контроллеру 12 / от контроллера 12 устройства 1. Например, вблизи или ниже нагревательных элементов 3b, либо в другом месте на подложке 3a могут быть напечатаны схемы измерения температуры, которые могут включать один или несколько резистивных датчиков температуры, чтобы температуру нагревателя 3 можно было регулировать и корректировать посредством контроллера 12 для достижения в курительном материале 5 температуры испарения или температуры, приближенной к ней.
Чтобы создать, как упоминалось выше, химические связи и придать нагревателю 3 когезионные свойства, слои подложки 3a и материал нагревательного элемента 3b перед сборкой спекают с целью предотвращения при сборке нарушения соединения связующих и/или пластификаторов, упомянутых ранее.
Химические связи и согласованные коэффициенты теплового расширения создают прочную структуру нагревателя 3, который может неоднократно использоваться для нагрева и испарения в области нагрева нагревательной камеры 4 вновь загружаемого курительного материала 5.
Нагреватель 3 может иметь любую подходящую конфигурацию и может быть изготовлен по технологии послойного наложения, описанной выше. Например, нагреватель 3 может представлять собой, по существу, полый цилиндр, расположенный вокруг области нагрева нагревательной камеры 4 для курительного материала, чтобы тепло, создаваемое нагревателем 3, испускалось радиально внутрь. Пример указанной конфигурации описан ниже со ссылкой на фиг. 2. Альтернативно, область нагрева нагревательной камеры 4 для курительного материала может быть расположена вокруг нагревателя 3. Примером является коаксиальное расположение, при котором нагреватель 3 испускает тепло в радиальном направлении наружу в область нагрева нагревательной камеры 4, хотя также возможны другие конфигурации, как будет понятно из нижеследующего описания.
В конкретном примере согласованно расширяющейся химически связанной структуры нагревателя 3 нагревающаяся подложка 3a содержит предварительно спеченную керамическую ленту из нитрида алюминия, а материал нагревательного элемента 3b включает содержащие вольфрам чернила, которые наносят с помощью трафаретной печати на керамическую ленту 3a. После выполнения печати на керамической ленте 3a материалом нагревательного элемента 3b и создания отверстий для формирования перемычек, упомянутых выше, керамическую ленту 3a располагают слоями, чтобы сформировать структуру, содержащую внутренние слои материала нагревательного элемента 3b, соединенные перемычками, проходящими через ленту 3a. Затем проводят спекание сборки, чтобы сформировать когезионный и химически связанный нагреватель 3. Во время активизации нагревателя 3 подложка из нитрида алюминия и вольфрамовые нагревательные элементы 3b расширяются и сжимаются со скоростью 4,5 м.д./°C, таким образом, структура нагревателя 3 расширяется и сжимается как единое целое, при этом исключается создание напряжений в любой из отдельных частей структуры нагревателя 3.
Нагреватель 3 может иметь небольшую толщину, например, менее 2 мм или менее 1 мм, что позволяет уменьшить габаритные размеры устройства 1 по сравнению с размерами устройств, в которых используются нагреватели других типов. Например, нагреватель 3 может иметь толщину приблизительно от 0,1 мм до 2,0 мм, к примеру, приблизительно от 0,3 мм до приблизительно 1,0 мм, хотя также могут использоваться нагреватели 3, имеющие большую толщину, например, вплоть до 6,5 мм.
2
Нагреватель 3 может функционировать в широком диапазоне выходных мощностей для нагрева и поддержания курительного материала 5 в требуемом диапазоне температур. Например, выходная мощность нагревателя 3 может находиться в диапазоне от нуля до приблизительно 2000 Вт/дюйм, при этом контроллер 12 устройства 1 может регулировать нагреватель, чтобы температура курительного материала 5 поддерживалась или корректировалась в требуемом диапазоне температур. Контроллер 12 может корректировать выходную мощность нагревателя 3 на основании результатов измерения температуры в нагревателе 3, на периферийных поверхностях нагревателя 3 и/или в курительном материале 5 с использованием схем измерения температуры, упомянутых выше.
Контроллер 12 может инициировать выполнение нагревателем 3, или отдельными зонами 10 нагревателя 3 циклирования между определенными заданными температурами в течение предварительно определенных промежутков времени или может изменять температуру нагревателя 3 и/или отдельных областей 10 нагревателя 3 в соответствии с режимом нагрева. Контроллер 12 и примеры подходящих режимов нагрева будут описываться более подробно ниже. Нагреватель 3 имеет малую массу, благодаря чему, можно уменьшить общую массу устройства 1.
Как показано на фиг. 2 и упоминалось вкратце выше, нагреватель 3 может содержать некоторое количество отдельных зон 10 нагрева. Зоны 10 нагрева могут действовать независимо друг от друга, благодаря чему разные зоны 10 можно привести в действие в разные промежутки времени для нагрева курительного материала 5. Таким образом, активируя в разные промежутки времени нагревательные элементы 3b, расположенные в отдельных зонах 10 нагревателя 3, можно задействовать разные зоны. Зоны 10 нагрева могут быть расположены в нагревателе 3 в любой геометрической конфигурации. Однако в примере, показанном на фиг. 2, зоны 10 нагрева геометрически расположены в нагревателе 3 так, чтобы указанные зоны 10 независимо нагревали преимущественно определенные области курительного материала 5.
Например, как показано на фиг. 2, нагреватель 3 может содержать множество выровненных в осевом направлении зон 10 нагрева, имеющих, по существу, вытянутую конфигурацию. Каждая зона 10 может представлять собой отдельную секцию нагревателя 3, например, секцию нагревателя 3, имеющего описанную выше связанную структуру, образованную подложкой 3a и нагревательными элементами 3b, при этом обеспечивается независимое регулирование температуры каждой секции нагревателя 3. Например, все зоны 10 нагрева могут быть выровнены относительно друг друга вдоль продольной оси нагревателя 3, таким образом, вдоль нагревателя 3 обеспечивается множество независимых зон нагрева.
Как показано на фиг. 2, каждая зона 10 нагрева может представлять собой полую цилиндрическую зону 10 нагрева или кольцевую зону 10 определенной длины, которая значительно меньше общей длины нагревателя 3. Выровненные в осевом направлении зоны 10 нагрева определяют наружную сторону нагревательной камеры 4 и способны нагревать курительный материал 5, содержащийся в нагревательной камере 4. Как указывалось ранее, тепло, распространяющееся внутрь, преимущественно направлено к центральной продольной оси нагревательной камеры 4. Предусмотрено такое расположение зон 10 нагрева, чтобы их радиальные, иначе говоря, торцевые поверхности, были обращены друг к другу вдоль нагревателя 3. Торцевые поверхности каждой зоны 10 нагрева, если требуется, могут быть отделены от торцевых поверхностей соседних зон(ы) 10 нагрева тепловой изоляцией 18, как показано на фиг. 2 и описано ниже, или могут быть соединены и/или могут примыкать к соседним зонам(е) 10 нагрева.
Как показано на фиг. 2 и 3, нагреватель 3 альтернативно может быть расположен в центральной области корпуса 7, а нагревательная камера 4 и курительный материал 5 могут быть расположены вокруг поверхности продольно расположенного нагревателя 3. При указанной конфигурации тепловая энергия, испускаемая нагревателем 3, направляется за пределы продольной поверхности нагревателя 3 в нагревательную камеру 4 и в курительный материал 5.
Каждая зона 10 нагрева может представлять собой отдельную секцию нагревателя 3. Как показано на фиг. 1-4, каждая зона 10 нагрева может являться цилиндрической зоной 10 нагрева определенной длины, которая значительно меньше общей длины нагревателя 3. Однако в качестве альтернативы могут использоваться нагреватели 3 другой конфигурации, в таком случае, наличие цилиндрических секций нагревателя 3 является необязательным. Может быть предусмотрено такое расположение зон 10 нагрева, чтобы их торцевые поверхности были обращены друг к другу вдоль нагревателя 3. Торцевые поверхности каждой зоны 10 могут соприкасаться с торцевыми поверхностями смежных зон 10. Альтернативно может быть предусмотрен теплоизоляционный или теплоотражающий слой между торцевыми поверхностями зон 10, чтобы тепловая энергия, испускаемая из каждой зоны 10, направлялась преимущественно в нагревательную камеру 4 и курительный материал 5 и, по существу, не происходил нагрев соседних зон 10. Все зоны 10 нагрева могут иметь, по существу, одинаковые размеры.
Таким образом, когда приведена в действие одна конкретная зона 10 нагрева, тепловая энергия поступает к курительному материалу 5, примыкающему к указанной зоне, например, радиально примыкающему к зоне 10 нагрева, при этом, по существу, не происходит нагрев остальной части курительного материала 5. Как показано на фиг. 3, нагреваемая область курительного материала 5 может представлять собой кольцевую область курительного материала 5, расположенную вокруг приведенной в действие зоны 10 нагрева. Таким образом, курительный материал 5 может быть нагрет в независимых секциях, которые могут быть, например, кольцевыми или, по существу, цилиндрическими, при этом каждая секция обеспечивает нагрев курительного материала 5, примыкающего непосредственно к конкретной зоне 10 нагрева и имеющего массу или объем, значительно меньше массы или объема всего курительного материала 5.
Дополнительно или альтернативно, нагреватель 3 может содержать множество продольно продолжающихся зон 10 нагрева, занимающих разное местоположение вокруг центральной продольной оси нагревателя 3. Зоны 10 нагрева могут иметь разную длину или могут иметь, по существу, одинаковую длину, при этом должны продолжаться, по существу, вдоль всей длины нагревателя 3.
Нагреваемые области курительного материала 5 могут представлять собой продольные области курительного материала 5, которые расположены параллельно и непосредственно примыкают к продольным зонам 10 нагрева. Таким образом, как описывалось ранее, может быть обеспечен нагрев независимых областей курительного материала 5.
Как будет описываться далее, каждая зона 10 нагрева может быть приведена в действие индивидуально и избирательно.
Курительный материал 5 может содержаться в картридже 11, который может быть вставлен в нагревательную камеру 4. Например, как показано на фиг. 2, картридж 11 может содержать курительный материал 5, по существу, в твердой фазе и может быть сформирован в виде цилиндра, вставляемого в полость нагревателя 3. В указанной конфигурации наружная поверхность тела курительного материала обращена к нагревателю 3. Альтернативно, как показано на фиг. 3, картридж 11 может представлять собой трубчатый картридж 11 для курительного материала, который может быть вставлен в нагреватель 3 так, чтобы внутренняя поверхность трубчатого картриджа 11 для курительного материала была обращена к продольной поверхности нагревателя 3. Трубчатый картридж 11 для курительного материала имеет полость. Диаметр трубчатого картриджа 11 может быть, по существу, равен или немного больше, диаметра или, иными словами, поперечного размера нагревателя 3, чтобы трубчатый картридж 11 плотно прилегала к нагревателю 3. Длина картриджа 11 может быть приблизительно равна длине нагревателя 3, чтобы нагреватель 3 мог нагреть картридж 11 по всей длине.
Корпус 7 устройства 1 может содержать отверстие, через которое картридж 11 может быть вставлен в нагревательную камеру 4. Отверстие может быть выполнено, например, на втором конце 9 корпуса, чтобы картридж 11 можно было вдвигать в отверстие и проталкивать непосредственно в нагревательную камеру 4. В процессе нагрева курительного материала 5 при использовании устройства 1 отверстие, предпочтительно, закрыто. Альтернативно, секция корпуса 7 на втором конце 9 может извлекаться из устройства 1, чтобы картридж с курительным материалом 5 можно было вставить в нагревательную камеру 4. В устройстве 1 может быть предусмотрен приводимый в действие пользователем выталкиватель курительного материала, например, внутренний механизм, способный выдвигать и/или удалять из нагревателя 3 картридж с использованным курительным материалом 5. Картридж с использованным курительным материалом 5 может быть, например, вытолкнут через отверстие в корпусе 7. Затем по мере необходимости может быть вставлен новый картридж 11.
Как упомянуто ранее, устройство 1 может содержать контроллер 12, например, микроконтроллер 12, способный управлять работой устройства 1. Контроллер 12 электронно соединен с другими компонентами устройства 1, такими как источник 2 энергии и нагреватель 3, обеспечивая управление их действием посредством передаваемых и получаемых сигналов. Контроллер 12, в частности, способен приводить в действие нагреватель 3 для нагрева курительного материала 5. Когда пользователь использует мундштук 6 устройства 1 для затяжки, контроллер 12 в качестве реакции способен привести в действие нагреватель 3, который может содержать избирательно приводимые в действие одну или несколько зон 10 нагрева. Указанный контроллер 12 может быть связан с датчиком 13 затяжки посредством подходящего коммуникационного соединения. Датчик затяжки 13 способен обнаруживать затяжку через мундштук 6, которую делает пользователь, и способен направлять контроллеру 12 сигнал, свидетельствующий о затяжке. Контроллер 12 по сигналу, подаваемому датчиком 13 затяжки, приводит в действие нагреватель 3 и, таким образом, обеспечивает нагрев курительного материала 5. Однако наличие датчика 13 затяжки для приведения в действие нагревателя 3 не является обязательным и в качестве альтернативы могут использоваться другие средства, подающие сигнал контроллеру для приведения в действие нагревателя 3. Например, контроллер 12 может приводить в действие нагреватель 3 по сигналу от других средств, например, по сигналу, свидетельствующему о приведении в действие пользователем исполнительного устройства. Затем пользователь через мундштук 6 может втянуть компоненты курительного материала, испаряющиеся в процессе его нагрева. Контроллер 12 может занимать в корпусе 7 любое подходящее местоположение. В качестве примера, указанный контроллер может занимать местоположение между источником 2 энергии и нагревателем 3 / нагревательной камерой 4, как показано на фиг. 5.
Если нагреватель 3 содержит две или более зон 10 нагрева, как описано выше, контроллер 12 способен приводить в действие зоны 10 нагрева в заданном порядке или по заданной схеме. Например, контроллер 12 способен приводить в действие зоны 10 нагрева последовательно вдоль или вокруг нагревательной камеры 4. Каждое приведение в действие зоны 10 нагрева может быть выполнено по сигналу датчика 13 об обнаружении затяжки или может быть выполнено по сигналу, поступающему от альтернативных средств, как будет описано далее ниже.
Как показано на фиг. 6, способ нагрева, в качестве примера, может включать первый этап S1, на котором обнаруживается сигнал для приведения в действие нагревателя, например, сигнал о первой затяжке, далее на втором этапе S2 нагревается первая область курительного материала 5 по сигналу о первой затяжке или по сигналу для приведения в действие нагревателя, поступающему от других средств. На третьем этапе S3 герметично уплотненные входное отверстие и выходные клапаны 24 могут быть открыты, чтобы воздух мог втягиваться через нагревательную камеру 4 и выходить из устройства 1 через мундштук 6. На четвертом этапе S4 клапаны 24 закрываются. Указанные клапаны 24 будут описываться более подробно ниже со ссылкой на фиг. 30. На пятом этапе S5, шестом этапе S6, седьмом этапе S7 и восьмом этапе S8, может быть нагрета вторая область курительного материала 5 по второму сигналу для приведения в действие нагревателя, например, о второй затяжке с соответствующим открытием и закрытием входного отверстия нагревательной камеры и выходных клапанов 24. На девятом этапе S9, десятом этапе S10, одиннадцатом этапе S11 и двенадцатом этапе S12 может быть нагрета третья область курительного материала 5 по третьему сигналу для приведения в действие нагревателя, например, о третьей затяжке с соответствующим открытием и закрытием входного отверстия нагревательной камеры и выходных клапанов 24 и так далее. Как упомянуто выше, могут альтернативно использоваться другие средства, а не датчик затяжки 13. Например, пользователь устройства 1 может привести в действие управляющий переключатель, чтобы сигнализировать о новой затяжке. В результате чего, обеспечивается нагрев очередной области курительного материала 5, вызывающий испарение никотина и ароматических соединений для каждой новой затяжки. Количество зон 10 нагрева и/или независимо нагреваемых областей курительного материала 5 может соответствовать количеству затяжек, на которое рассчитан используемый картридж 11. Альтернативно, каждая независимо нагреваемая область курительного материала 5 может быть нагрета теплом, поступающим от соответствующей зоны(н) 10 нагрева, для некоторого количества затяжек, например, двух, трех или четырех затяжек, в таком случае новая область курительного материала 5 нагревается только после того, как было выполнено несколько затяжек при нагреве предшествующей области курительного материала.
Вместо того чтобы приводить в действие каждую зону 10 нагрева по сигналу об отдельной затяжке, зоны 10 нагрева могут быть приведены в действие последовательно, то есть одна за другой, по сигналу о единственной первоначальной затяжке через мундштук 6. Например, зоны 10 нагрева могут быть приведены в действие с регулярными, заданными интервалами в течение расчетного периода затяжки при использовании конкретного картриджа 11 с курительным материалом. К примеру, период затяжки может составлять приблизительно от одной и до приблизительно четырех минут. Таким образом, по меньшей мере, пятый этап S5 и девятый этап S9, показанные на фиг. 6, являются дополнительными. Каждая зона 10 нагрева может быть приведена в действие в течение заданного промежутка времени, соответствующего продолжительности одной или нескольких затяжек, для которых должна быть нагрета соответствующая независимо нагреваемая область курительного материала 5. После того, как были приведены в действие все зоны 10 нагрева, содержимое конкретного картриджа 11 является израсходованным, при этом контроллер 12 способен подавать сигнал пользователю о необходимости замены картриджа 11. К примеру, контроллер 12 может приводить в действие световой индикатор, предусмотренный на наружной поверхности корпуса 7.
Следует отметить, что при приведении в действие отдельных зон 10 нагрева по порядку требуется меньшая энергия для нагрева курительного материала 5 для затяжки, чем при работе всего нагревателя 3 в течение периода использования картриджа 11. Соответственно, также уменьшается максимальная требуемая выходная мощность источника 2 энергии. Таким образом, в устройстве 1 может использоваться источник 2 энергии меньшего размера и/или более легкий.
Контроллер 12 может быть способен приостановить действие нагревателя 3 или уменьшить мощность, подводимую к нагревателю 3, между затяжками. Благодаря чему, обеспечивается экономия энергии и увеличивается срок службы источника 2 энергии. Например, когда устройство 1 включается самим пользователем или по сигналу, свидетельствующему об использовании пользователем мундштука 6 для затяжки, контроллер 12 может быть способен инициировать приведение в действие нагревателя на неполную мощность 3, или приведение в действие следующей зоны 10 нагрева на неполную мощность, чтобы обеспечить предварительный нагрев до температуры ниже температуры испарения компонентов курительного материала 5. При приведении в действие нагревателя на неполную мощность курительный материал 5 не нагревается до температуры, достаточной для испарения никотина. Подходящая температура может составлять менее 120°C, например, приблизительно 100°C. По сигналу датчика 13 затяжки об обнаружении затяжки контроллер 12 может привести в действие нагреватель 3 или соответствующую зону 10 нагрева для дальнейшего нагрева курительного материала 5, обеспечивающего быстрое испарение никотина и других ароматические соединений для затяжки пользователем. Если курительный материал 5 содержит табак, подходящая температура нагрева для испарения никотина и других ароматических соединений может превышать 120°C, например, может составлять от 150°C до 250°C или от 130°C до 180°C. Таким образом, например, при приведении в действие нагревателя на полную мощность температура может составлять 180°C и 250°C. Если требуется, может быть использован суперконденсатор, способный обеспечить максимальный ток для нагрева курительного материала 5 до температуры испарения. Пример подходящего профиля распределения температур показан на фиг. 8, при этом пики соответствуют действию различных зон 10 нагрева на полную мощность. Как видно, курительный материал 5 поддерживается при температуре испарения в течение приблизительного периода затяжки, которая, согласно указанному примеру, составляет две секунды.
Три примера режимов работы нагревателя 3 приведены ниже.
При первом рабочем режиме во время приведения в действие на полную мощность конкретной зоны 10 нагревателя все другие зоны 10 нагревателя находятся в неактивном состоянии. Таким образом, когда новая зона 10 нагрева приводится в действие, предшествующая зона нагрева приводится в неактивное состояние. Мощность подается только к приводимой в действие зоне 10.
При втором альтернативном режиме работы во время приведения в действие конкретной зоны 10 нагрева на полную мощность, одна или несколько других зон 10 нагрева могут быть приведены в действие на неполную мощность. При приведении в действие одной или нескольких других зон 10 нагрева на неполную мощность другие зоны(а) 10 нагрева могут быть нагреты до температуры, достаточной, чтобы, по существу, предотвращалась конденсация компонентов, таких как никотин, испаренных из курительного материала 5 в нагревательной камере 4. Температура зон 10 нагрева, которые приведены в действие на неполную мощность, ниже температуры зоны 10 нагрева, которая приведена в действие на полную мощность. Курительный материал 5, примыкающий к зоне 10, приведенной в действие на неполную мощность, не нагревается до температуры, достаточной для испарения компонентов курительного материала 5.
При третьем альтернативном режиме работы приведенная в действие конкретная зона 10 нагрева остается в рабочем состоянии до тех, пока нагреватель 3 не будет выключен. В связи с этим, мощность, подводимая к нагревателю 3, постепенно увеличивается по мере того, как все большее количество зон 10 нагрева приводится в действие во время использования картриджа 11 для затяжки. Как и при втором режиме работы, описанном выше, продолжающееся действие зон 10 нагрева, по существу, предотвращает конденсацию компонентов, таких как никотин, испаренных из курительного материала 5 в нагревательной камере 4.
Устройство 1 может содержать тепловой экран 100, который расположен между нагревателем 3 и нагревательной камерой 4 / курительным материалом 5. Тепловой экран 100 способен, по существу, предотвратить прохождение тепловой энергии от нагревателя и, таким образом, может использоваться, чтобы выборочно препятствовать нагреву курительного материала 5, даже когда нагреватель 3 приведен в действие и испускает тепловую энергию. Как показано фиг. 15, тепловой экран 100 может, например, содержать цилиндрический слой теплоотражающего материала, который расположен коаксиально вокруг нагревателя 3. Альтернативно, если нагреватель 3 расположен вокруг нагревательной камеры 4 и курительного материала 5, как описано ранее со ссылкой на фиг. 2, тепловой экран 100 может содержать цилиндрический слой теплоотражающего материала, который расположен коаксиально вокруг нагревательной камеры 4 и коаксиально в нагревателе 3. Тепловой экран 100 дополнительно или альтернативно может содержать теплоизоляционный слой, способный изолировать курительный материал 5 от нагревателя 3.
Тепловой экран 100 содержит, по существу, теплопрозрачное окно 101, которое позволяет тепловой энергии распространяться через указанное окно 101 в нагревательную камеру 4 и, соответственно, в курительный материал 5. В связи с этим, область курительного материала 5, совпадающая с окном 101, нагревается, пока остальная часть курительного материала 5 не подвергается нагреву. Тепловой экран 100 и окно 101 могут быть приспособлены для поворота или перемещения иным образом относительно курительного материала 5, чтобы при вращении или перемещении теплового экрана 100 и, соответственно, окна 101, разные области курительного материала 5 могли быть выборочно и индивидуально нагреты. Указанный эффект аналогичен упомянутому выше эффекту, который обеспечивается при выборочном и индивидуальном приведении в действие зон 10 нагрева. Например, тепловой экран 100 и, соответственно, окно 101 могут поворачиваться или иным образом перемещаться с определенным шагом по сигналу, поступающему от датчика 13 затяжки. Дополнительно или альтернативно, тепловой экран 100 и, соответственно, окно 101 может поворачиваться или иным образом перемещаться с определенным шагом по истечении заданного периода нагрева. Перемещение или поворот теплового экрана 100 и, соответственно, окна 101 может регулироваться посредством электронных сигналов, поступающих от контроллера 12. Относительный поворот или перемещение иным образом теплового экрана 100 / окна 101 и курительного материала 5 может осуществляться шаговым двигателем 3c под управлением контроллера 12. Процесс перемещения схематично показан на фиг. 15. Альтернативно, тепловой экран 100 и, соответственно, окно 101 может поворачиваться вручную при приведении в действие пользователем элемента управления, например, исполнительного устройства, расположенного на корпусе 7. Тепловой экран 100 не обязательно должен иметь цилиндрическую конфигурацию и, если требуется, может содержать один или несколько соответственно позиционированных продольно продолжающихся элементов и/или пластин.
Следует отметить, что аналогичный результат может быть получен при повороте или перемещении курительного материала 5 относительно нагревателя 3, теплового экрана 100 и окна 101. Например, нагревательная камера 4 может быть способна поворачиваться вокруг нагревателя 3. В таком случае, приведенное описание, касающееся перемещения теплового экрана 100, может быть применимо к перемещению нагревательной камеры 4 относительно теплового экрана 100.
Тепловой экран 100 может представлять собой покрытие на продольной поверхности нагревателя 3. В этом случае некоторую область поверхности нагревателя оставляют непокрытой для формирования теплопрозрачного окна 101. Нагреватель 3 может поворачиваться или иным способом перемещаться, например, под управлением контроллера 12 или пользовательских элементов управления, чтобы вызвать нагрев разных секций курительного материала 5. Альтернативно, тепловой экран 100 с окном 101 может представлять собой отдельный экран, который способен поворачиваться или иным способом перемещаться как относительно нагревателя 3, так и относительно курительного материала 5 под управлением контроллера 12 или пользовательских элементов управления.
Устройство 1 может содержать входные отверстия 14 для воздуха, через которые наружный воздух может втягиваться в корпус 7 и проходить через нагретый курительный материал 5 во время затяжки. Входные отверстия 14 для воздуха могут быть выполнены в виде каналов 14 в корпусе 7 и могут быть расположены выше курительного материала 5 и нагревательной камеры 4 вблизи первого конца 8 корпуса 7. Расположение указанных отверстий показано на фиг. 2. Другой пример расположения отверстий показан на фиг. 7.
Воздух, втянутый через входные отверстия 14 проходит через нагретый курительный материал 5 и обогащается парами курительного материала, например, парами, ароматических веществ, прежде чем поступит в мундштук 6. Как показано на фиг. 7, если требуется, устройство 1 может содержать теплообменник 15 способный подогревать воздух, прежде чем он поступит в курительный материал 5 и/или охлаждать воздух, прежде чем он будет затянут через мундштук 6. Например, теплообменник 15 может быть способен использовать тепло, извлеченное из воздуха, поступающего в мундштук 6, для подогрева нового воздуха, прежде чем он поступит в курительный материал 5.
Устройство 1 может содержать сжимающий элемент 16 для курительного материала, способный после приведения в действие вызывать уплотнение курительного материала 5. Устройство 1 также может содержать расширитель 17 для курительного материала, способный при приведении в действие вызывать разрыхление курительного материала 5. Сжимающий элемент 16 и расширитель 17, фактически, могут быть выполнены в виде единого блока, который будет описываться ниже. Сжимающий элемент 16 для курительного материала и расширитель 17, если требуется, могут работать под управлением контроллера 12. В этом случае контроллер 12 способен подавать сигнал, например, электрический сигнал, сжимающему элементу 16 или расширителю 17, побуждающий сжимающий элемент 16 или расширитель 17, соответственно, уплотнять или разрыхлять курительный материал 5. Альтернативно, сжимающий элемент 16 и расширитель 17 могут быть приведены в действие пользователем устройства 1 с помощью ручного элемента управления, расположенного на корпусе 7, чтобы, при необходимости, курительный материал 5 уплотнялся или разрыхлялся.
Сжимающий элемент 16 обеспечивает уплотнение курительного материала 5, повышая, таким образом, плотность нагреваемого курительного материала. В результате уплотнения курительного материала повышается теплопроводность массы курительного материала 5 и, соответственно, обеспечивается более быстрый нагрев и последовательное быстрое испарение никотина и других ароматических соединений. В результате чего, пользователь может втянуть никотин и ароматические вещества, по существу, без задержки при поступлении в контроллер сигнала об обнаружении затяжки. Таким образом, контроллер 12 может привести в действие сжимающий элемент 16 для уплотнения курительного материала 5 в течение заданного периода нагрева, например, в течение одной секунды при поступлении сигнала об обнаружении затяжки. Сжимающий элемент 16 может быть способен уменьшить уплотнение курительного материала 5, например, под управлением контроллера 12 после заданного периода нагрева. Альтернативно, уплотнение может быть уменьшено или автоматически завершено при поступлении сигнала о достижении заданной пороговой температуры курительного материала 5. Подходящая пороговая температура может находиться в диапазоне приблизительно от 120°C до 250°C, или в одном из других диапазонов, которые описывались выше, и может выбираться пользователем. Для измерения температуры курительного материала 5 может использоваться температурный датчик.
Расширитель 17 обеспечивает разрыхление курительного материала 5, уменьшая, таким образом, его плотность во время затяжки. Разрыхленный курительный материал 5 располагается в нагревательной камере 4 более свободно, что способствует прохождению через курительный материал 5 потока газа, например, воздуха из входных отверстий 14. Таким образом, повышается способность воздуха переносить испаренный никотин и ароматические вещества к мундштуку 6 для затяжки. Контроллер 12 может приводить в действие расширитель 17 для немедленного разрыхления курительного материала 5 после периода уплотнения, описанного выше, чтобы воздух мог более свободно втягиваться через курительный материал 5. Приведение в действие расширителя 17 может сопровождаться слышимым пользователем звуком или другим сигналом, указывающим пользователю, что курительный материал 5 нагрет и можно начинать затяжку.
Как показано на фиг. 9 и 10, сжимающий элемент 16 и расширитель 17 могут содержать направляющий стержень, который приводится в действие пружиной и способен при разжимании сжатой пружины уплотнять курительный материал 5 в нагревательной камере 4. Описанные процессы схематично показаны на фиг. 9 и 10, хотя следует отметить, что могут использоваться другие способы реализации указанных процессов. Например, сжимающий элемент 16 может быть выполнен в виде кольца, размер которого приблизительно равен размеру трубчатой нагревательной камеры 4, описанной выше, которое вводится пружиной или другими средствами в нагревательную камеру 4 для уплотнения курительного материала 5. Альтернативно, сжимающий элемент 16 может быть частью нагревателя 3, чтобы нагреватель 3 сам был способен уплотнять и разрыхлять курительный материал 5 под управлением контроллера 12. Способ уплотнения и разрыхления курительного материала 5 показан на фиг. 11. Способ включает первый этап Р1: уплотнение курительного материала 5 в нагревательной камере 4, второй этап Р2: нагрев уплотненного курительного материала 5, третий этап Р3: установление пороговой температуры в курительном материале 5, четвертый этап S4: разрыхление курительного материала 5, например, посредством ослабления силы сжатия, и пятый этап S5: поступление наружного воздуха в нагревательную камеру 4 для курительного материала, например, при открытии герметично уплотненного входного отверстия и выходных клапанов 24.
Нагреватель 3 может быть объединен с тепловой изоляцией 18, описанной выше. Например, как показано на фиг. 2, тепловая изоляция 18 может иметь, по существу, удлиненный полый корпус, например, может представлять собой, по существу, цилиндрическую трубчатую изоляцию 18, которая расположена коаксиально вокруг нагревательной камеры 4 и в которой целиком расположены зоны 10 нагрева. Тепловая изоляция 18 может содержать слой, в котором предусмотрены углубления в обращенной внутрь поверхности 21. Зоны 10 нагрева расположены в указанных углублениях таким образом, чтобы указанные зоны 10 были обращены к курительному материалу 5, находящемуся в нагревательной камере 4. Поверхности зон 10 нагрева, которые обращены к нагревательной камере 4, могут быть выполнены заподлицо с внутренней поверхностью 21 неуглубленных областей тепловой изоляции 18.
Поскольку нагреватель 3 объединен с тепловой изоляцией 18, зоны 10 нагрева, по существу, окружены изоляцией 18 со всех сторон, кроме тех, которые обращены внутрь по направлению к нагревательной камере 4 для курительного материала. Следовательно, тепло, испускаемое нагревателем 3, сконцентрировано в курительном материале 5, при этом не распространяется на другие части устройства 1 и не рассеивается в окружающую корпус 7 среду.
За счет объединения нагревателя 3 с тепловой изоляцией 18 также может быть уменьшена общая толщина нагревателя 3 и тепловой изоляции 18. В результате чего, можно дополнительно уменьшить диаметр устройства 1, в частности, наружный диаметр корпуса 7. Кроме того, указанное уменьшение толщины посредством объединения нагревателя 3 с тепловой изоляцией 18 может позволить разместить в устройстве 1 более широкую нагревательную камеру 4 для курительного материала или ввести дополнительные компоненты без необходимости увеличения общей ширины корпуса 7.
Альтернативно объединению, нагреватель 3 и изоляция 18 могут быть расположены близко друг к другу. Например, если нагреватель 3 расположен снаружи нагревательной камеры 4, как показано на фиг. 2, изоляция 18 может окружать нагреватель 3 снаружи, при этом внутренняя поверхность 21 изоляции будет обращена к нагревателю 3. Если нагреватель 3 расположен внутри нагревательной камеры 4, обращенная наружу поверхность 22 изоляции 18 будет окружать нагреватель 3.
Если требуется, между нагревателем 3 и изоляцией 18 может быть установлен барьер. Например, между нагревателем 3 и изоляцией 18 может быть предусмотрена прослойка из нержавеющей стали. Барьер между нагревателем 3 и изоляцией 18 может быть выполнен в виде трубки из нержавеющей стали. Барьер может иметь небольшую толщину, чтобы, по существу, не увеличивались размеры устройства. В качестве примера, толщина барьера может составлять приблизительно от 0,1 мм до 1,0 мм.
Кроме того, между торцевыми поверхностями зон 10 нагрева может находиться теплоотражающий слой. Предусмотрено такое расположение зон 10 нагрева относительно друг друга, чтобы тепловая энергия, испускаемая каждой зоной 10 нагрева, по существу, не распространялась на соседние зоны 10, а поступала от периферийной поверхности зоны 10 нагрева, преимущественно, внутрь нагревательной камеры 4 и, соответственно, в курительный материал 5. Все зоны 10 нагрева могут иметь, по существу, одинаковые размеры.
Нагреватель 3 может быть закреплен в устройстве 1 с использованием клея, отверждаемого под давлением, или может быть закреплен иным способом. В качестве примера, нагреватель 3 может быть приклеен к изоляции 18 или к барьеру, упомянутому выше, с использованием клея, отверждаемого под давлением. Альтернативно, нагреватель 3 может быть приклеен к картриджу 11 или к наружной поверхности нагревательной камеры 4 для курительного материала.
В качестве альтернативы использованию клея, отверждаемого под давлением, для закрепления нагревателя 3 в рабочем положении в устройстве 1 может использоваться самоклеющаяся лента или зажимы, приспособленные для закрепления нагревателя 3 в устройстве 1. Любой из указанных способов обеспечивает надежную фиксацию нагревателя 3 и, соответственно, эффективную теплопередачу от нагревателя 3 к курительному материалу 5. Также возможны другие способы фиксации нагревателя 3.
Благодаря тепловой изоляции 18, предусмотренной между курительным материалом 5 и наружной поверхностью 19 корпуса 7, как описано выше, снижаются тепловые потери при использовании устройства 1 и, соответственно, повышается эффективность нагрева курительного материала 5. Например, как показано на фиг. 2, стенка корпуса 7 может содержать слой изоляции 18, который продолжается вокруг наружной поверхности нагревательной камеры 4. Слой изоляции 18 может иметь, по существу, трубчатую конфигурацию и может располагаться коаксиально вокруг нагревательной камеры 4 и, соответственно, курительного материала 5. Указанная изоляция показана на фиг. 2. Следует отметить, что изоляция 18 может являться частью картриджа 11 для курительного материала и может быть расположена коаксиально вокруг наружной поверхности курительного материала 5.
2
2
Показанная на фиг. 12 изоляция 18 может представлять собой вакуумную изоляцию 18. Например, изоляция 18 может содержать слой, который ограничен стенкой 19 из металлического материала. Внутренняя область или сердцевина 20 изоляции 18 может содержать пористый материал с открытыми порами, например, включает полимеры, аэрогели или другой подходящий материал, который вакуумирован при низком давлении. Давление во внутренней области 20 может находиться в диапазоне от 0,1 до 0,001 мбар. Стенка 19 изоляции 18 является достаточно прочной и способна противостоять силе, возникающей из-за разности давления между сердцевиной 20 и наружными поверхностями стенки 19, благодаря чему, предотвращается разрушение изоляции 18. К примеру, стенка 19 может представлять собой стенку из нержавеющей стали 19, имеющую толщину приблизительно 100 мкм. Теплопроводность изоляции 18 может находиться в диапазоне от 0,004 до 0,005 Вт/м⋅K. Коэффициент теплопередачи изоляции 18 может составлять приблизительно от 1,10 Вт/(м⋅K) до приблизительно 1,40 Вт/(м⋅K) в диапазоне температур приблизительно от 150°C до приблизительно 250°C. Газовая проводимость изоляции 18 является незначительной. На внутренние поверхности стенки 19 может быть нанесено отражающее покрытие, способное минимизировать тепловые потери, связанные с излучением, проникающим через изоляцию 18. Покрытие может, например, представлять собой алюминиевое покрытие, отражающее инфракрасное излучение и имеющее толщину приблизительно от 0,3 мкм до 1,0 мкм. Поскольку сердцевина 20 изоляции находится в вакуумированном состоянии, даже при очень малой толщине сердцевины 20 изоляция 18 выполняет свои функции. Таким образом, изоляционные свойства, по существу, не зависят от толщины изоляции. Следовательно, имеется возможность уменьшить габариты устройства 1.
Как показано на фиг. 12, стенка 19 может содержать внутреннюю секцию 21 и наружную секцию 22. Внутренняя секция 21, по существу, обращена к курительному материалу 5 и к нагревательной камере 4. Наружная секция 22, по существу, обращена к наружной поверхности корпуса 7. Во время использования устройства 1, внутренняя секция 21 будет иметь более высокую температуру, обеспечиваемую тепловой энергией, создаваемой нагревателем 3, тогда как наружная секция 22 будет иметь более низкую температуру за счет изоляции 18. Например, внутренняя секция 21 и наружная секция 22 могут иметь, по существу, параллельные продольно продолжающиеся стенки 19, длина которых, по меньшей мере, соответствует длине нагревателя 3. Внутренняя поверхность наружной секции 22, то есть поверхность, обращенная к вакуумированной сердцевине 20, может содержать покрытие для абсорбции газа в сердцевине 20. Подходящим покрытием является пленка оксида титана.
Тепловая изоляция 18 может представлять собой сверхглубоковакуумную изоляцию, например, Insulon Shaped-Vacuum Thermal Barrier, как описано в патенте США 7,374,063. Общая толщина указанной изоляции 18 может быть чрезвычайно малой. В качестве примера, толщина может составлять приблизительно от 1 мм до приблизительно 1 мкм, например, может составлять приблизительно 0,1 мм, хотя возможно использование изоляции большей или меньшей толщины. Теплоизоляционные свойства изоляции 18, по существу, не зависят от ее толщины и, соответственно, при применении тонкой изоляции 18 устройство 1 может использоваться без каких-либо, по существу, дополнительных тепловых потерь. Весьма небольшая толщина тепловой изоляции 18 позволяет уменьшить габариты корпуса 7 и, соответственно, устройства 1, относительно габаритов, которые упоминались ранее, при этом толщина, точнее, диаметр, устройства 1 может быть приблизительно равен диаметру курительных изделий, таких как сигареты, сигары и тонкие сигариллы. Кроме того, имеется возможность уменьшить вес устройства 1, что является таким же преимуществом, как и описанное выше уменьшение габаритов устройства.
Следует отметить, что тепловая изоляция 18, описанная ранее, может содержать газопоглощающий материал, поддерживающий вакуум или способствующий его созданию в сердцевине 20, однако в глубоковакуумной изоляции 18 газопоглощающий материал не используется. Благодаря отсутствию газопоглощающего материала изоляция 18 имеет весьма малую толщину, следовательно, можно уменьшить габариты устройства 1.
-7
Геометрия сверхглубоковакуумной изоляции 18 позволяет поддерживать вакуум в изоляции более глубоким, чем вакуум, создаваемый во время изготовления при удалении молекул газа из сердцевины 20 изоляции 18. Например, вакуум в изоляции 18 может быть более глубоким, чем в камере вакуумной печи, в которой он создается. Например, вакуум в изоляции 18 может иметь порядок 10 Торр. Как показано на фиг. 17, конец сердцевины 20 глубоковакуумной изоляции 18 может сужаться, поскольку наружная секция 22 и внутренняя секция 21 сходятся к выходному отверстию 25, через которое газ из сердцевины 20 может быть откачан для создания глубокого вакуума во время изготовления изоляции 18. На фиг. 17 показана наружная секция 22, сходящаяся к внутренней секции 21, однако может альтернативно использоваться обратное расположение, при котором внутренняя секция 21 сходится к наружной секции 22. Сходящийся конец изоляционной стенки 19 способен направлять молекулы газа, находящегося в сердцевине 20, наружу через выходное отверстие 25 и, таким образом, создавать глубокий вакуум в сердцевине 20. После того, как сердцевина 20 была вакуумирована, выходное отверстие 25 герметизируется, чтобы в сердцевине 20 поддерживался глубокий вакуум. Герметизацию выходного отверстия 25 после откачки газа из сердцевины 20 выполняют, например, посредством пайки твердым припоем. Могут использоваться альтернативные способы герметизации.
Чтобы обеспечить вакуумирование сердцевины 20, изоляцию 18 помещают в среду с низким давлением, по существу, в вакуумированную среду, например, в камеру вакуумной печи, чтобы молекулы газа из сердцевины 20 изоляции 18 поступали в окружающую среду с низким давлением. Когда давление в сердцевине 20 становится низким, клиновидная геометрия сердцевины 20, а именно, сходящиеся секции 21, 22, упомянутые выше, способствуют направлению оставшихся в сердцевине 20 молекул газа через выходное отверстие 25. Точнее говоря, когда давление газа в сердцевине 20 низкое, направляющее действие сходящихся секций, а именно, внутренней секции 21 и наружной секции 22, является эффективным для направления оставшихся в сердцевине 20 молекул газа к выходному отверстию 25, при этом вероятность выхода газа из сердцевины 20 выше вероятности вхождения газа в сердцевину 20 из окружающей среды, имеющей низкое давление. Таким образом, благодаря геометрии сердцевины 20 давление в сердцевине 20 изоляции 18 ниже давления окружающей среды.
Если требуется, как уже описывалось ранее, стенка 19 может иметь одно или несколько покрытий с низкой излучающей способностью, нанесенных на внутренние поверхности внутренней секции 21 и наружной секции 22, чтобы по существу, предотвратить тепловые потери вследствие излучения.
Хотя изоляция 18, описанная здесь, имеет, по существу, цилиндрическую или подобную ей форму, может использоваться тепловая изоляция 18 разной формы, способная вместить и изолировать устройство 1 разнообразной конфигурации, к примеру, с разной формой и размерами нагревательной камеры 4, нагревателя 3, корпуса 7 или источника 2 энергии. Например, размер и форма сверхглубоковакуумной изоляции 18, такой как Insulon Shaped-Vacuum Thermal Barrier, упомянутой выше, по существу, не лимитируются процессом ее изготовления. Подходящие материалы для формирования сходящейся структуры, описанной выше, включают керамику, металлы, металлоиды и их сочетание.
На фиг. 13 схематично показан тепловой мостик 23, который обеспечивает соединение внутренней секции 21 стенки с наружной секцией 22 стенки на одном или нескольких краях изоляции 18, чтобы полностью замыкать и ограничивать сердцевину 20, имеющую низкое давление. Тепловой мостик 23 может иметь стенку 19, сформированную из того же материала, что и внутренняя секция 21 и наружная секция 22. Как описывалось выше, подходящим материалом является нержавеющая сталь. Тепловой мостик 23 имеет большую теплопроводность по сравнению с сердцевиной 20 изоляции, следовательно, может отводить тепло из устройства 1, уменьшая эффективность нагрева курительного материала 5, что является нежелательным.
Чтобы снизить тепловые потери, связанные с теплопроводностью теплового мостика 23, можно увеличить ширину теплового мостика 23 и, таким образом, повысить его сопротивление тепловому потоку, поступающему от внутренней секции 21 к наружной секции 22. Указанный тепловой мостик схематично показан на фиг. 14. Например, тепловой мостик 23 может продолжаться по криволинейной траектории между внутренней секцией 21 стенки 19 и наружной секцией 22 стенки 19. Для осуществления этого используется изоляция 18, имеющая продольный размер больше длины нагревателя 3, нагревательной камеры 4 и курительного материала 5, чтобы тепловой мостик 23 мог постепенно продолжаться от внутренней секции 21 к наружной секции 22 по криволинейной траектории, уменьшая, таким образом, толщину сердцевины 20 до нуля в области корпуса 7, не занятой нагревателем 3, нагревательной камерой 4 и курительным материалом 5.
Как показано на фиг. 16 и описывалось выше, нагревательная камера 4, защищенная изоляцией 18, может содержать входной и выходной клапаны 24, которые герметично уплотняют нагревательную камеру 4, когда она закрыта. Таким образом, клапаны 24 могут предотвратить нежелательный вход и выход воздуха из камеры 4 и могут воспрепятствовать выходу ароматических веществ курительного материала из камеры 4. Входной и выходной клапаны 24 могут, например, быть установлены в изоляции 18. К примеру, после каждой затяжки клапаны 24 могут закрываться по команде контроллера 12, чтобы между затяжками все испаренные вещества оставались в камере 4. Парциальное давление испаренных веществ между затяжками достигает давления насыщенного пара, следовательно, количество испаренных веществ, зависит только от температуры в нагревательной камере 4. Таким образом, гарантируется постоянная подача испаренного никотина и ароматических соединений от затяжки к затяжке. Во время затяжки контроллер 12 способен открывать клапаны 24, чтобы воздух мог проходить через камеру 4 и переносить испаренные компоненты курительного материала к мундштуку 6. В клапанах 24 может быть установлена мембрана, способная надежно предотвратить поступление кислорода в камеру 4. Когда пользователь делает вдох, клапаны 24 приводятся в действие и открываются по сигналу об обнаружении затяжки. По сигналу об обнаружении окончания затяжки клапаны 24 закрываются. Альтернативно, клапаны 24 могут закрываться по истечении заданного периода времени после их открытия. Заданный период времени может быть рассчитан контроллером 12. Если требуется, может быть предусмотрено механическое или другое подходящее средство, обеспечивающее автоматическое открытие/закрытие клапанов 24. Например, движение газа, вызванное пользователем, производящего затяжку через мундштук 6, может использоваться для открытия и закрытия клапанов 24. Например, движение воздуха, возникающее в результате затяжки через мундштук 6, может использоваться для открытия и закрытия клапанов 24. В таком случае для приведения в действие клапанов 24 не обязательно требуется использование контроллера 12.
При работе нагревателя 3 каждая зона 10 нагрева может обеспечить нагрев массы курительного материала 5, составляющей от 0,2 до 1,0 г. Температура нагрева курительного материала 5 может регулироваться пользователем, при этом может являться любой температурой в пределах диапазона температур от 120°C до 250°C, как описывалось выше. Масса устройства 1 в целом может находиться в диапазоне от 70 до 125 г, хотя масса устройства 1 может быть ниже, если используется нагреватель 3, описанного выше типа, и/или глубоковакуумная изоляция 18. Может использоваться батарея 2 емкостью от 1000 к 3000 мАч и напряжением 3,7 В. Зоны 10 нагрева могут быть способны индивидуально и выборочно нагревать приблизительно от 10 до 40 областей курительного материала 5 при использовании одного картриджа 11.
Следует отметить, что любые из технических решений, описанных выше, могут осуществляться по отдельности или в сочетании.
Полнота раскрытия сущности настоящего изобретения обеспечивается посредством приведенного выше описания иллюстративных вариантов его осуществления, которые позволяют решить существующие проблемы известного уровня техники и создать более совершенное устройство. Преимущества и признаки настоящего изобретения раскрыты посредством иллюстративных примеров его осуществления, которые не следует рассматривать как исчерпывающие и/или исключительные. Иллюстративные примеры осуществления настоящего изобретения описываются лишь с целью облегчения понимания существа изобретения и признаков заявляемого изобретения. Следует понимать, что раскрытые в описании преимущества, варианты, примеры, функциональные элементы, признаки, структуры и/или другие аспекты изобретения не следует рассматривать как ограничивающие определенные пункты формулы изобретения или ограничивающие эквиваленты указанных пунктов, кроме того допускаются другие варианты и всевозможные модификации, не отступая от объема и/или существа изобретения. Разнообразные варианты осуществления изобретения могут, соответственно, содержать, включать или включать, по существу, раскрытые элементы, компоненты, признаки, части, этапы, средства, и т.д. в различных сочетаниях. Кроме того, настоящее изобретение может служить основой для других изобретений, которые не заявляются в настоящее время, но могут быть заявлены в будущем.