НАГРЕВАТЕЛЬ В СБОРЕ ДЛЯ СИСТЕМЫ, ГЕНЕРИРУЮЩЕЙ АЭРОЗОЛЬ
HEATER ASSY FOR AEROSOL GENERATING SYSTEM

Настоящее изобретение относится к системам, генерирующим аэрозоль, и к нагревателям в сборе для систем, генерирующих аэрозоль, при этом нагреватели в сборе содержат электрический нагреватель, который является подходящим для испарения субстрата, образующего аэрозоль. В частности, настоящее изобретение относится к удерживаемым рукой системам, генерирующим аэрозоль, таким как электроуправляемые курительные системы. Аспекты настоящего изобретения относятся к нагревателям в сборе для системы, генерирующей аэрозоль, картриджам для системы, генерирующей аэрозоль, и к способам изготовления этих картриджей.
Один тип системы, генерирующей аэрозоль, представляет собой электроуправляемую курительную систему. Известны удерживаемые рукой электроуправляемые курительные системы, состоящие из части в виде устройства, содержащей батарею и управляющую электронику, и части в виде картриджа, содержащей источник субстрата, образующего аэрозоль, и электроуправляемый испаритель. Картридж, содержащий как источник субстрата, образующего аэрозоль, так и испаритель, иногда называют «картомайзером». Испаритель обычно представляет собой нагреватель в сборе. В некоторых известных примерах субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой жидкий субстрат, образующий аэрозоль, а испаритель содержит обмотку из проволоки нагревателя, намотанную вокруг удлиненного фитиля, пропитанного жидким субстратом, образующим аэрозоль. Часть в виде картриджа обычно содержит не только источник субстрата, образующего аэрозоль, и электроуправляемый нагреватель в сборе, но также и мундштук, через который при применении пользователь делает затяжку для втягивания аэрозоля в свой рот.
Таким образом, электроуправляемые курительные системы, которые испаряют жидкость, образующую аэрозоль, путем нагревания с образованием аэрозоля, обычно содержат обмотку из проволоки, которая обернута вокруг капиллярного материала, который удерживает жидкость. Электрический ток, проходящий через проволоку, вызывает резистивное нагревание проволоки, посредством чего испаряется жидкость в капиллярном материале. Капиллярный материал обычно удерживается внутри канала для потока воздуха, вследствие чего воздух втягивается через фитиль и увлекает пар. Пар впоследствии охлаждается с образованием аэрозоля.
Этот тип системы может быть эффективным для образования аэрозоля, но при этом он также может вызывать затруднения с точки зрения воспроизводимости и дешевизны изготовления. Кроме того, фитиль и обмотка в сборе вместе с соответствующими электрическими соединениями могут быть хрупкими и сложными в обращении.
Желательно предоставить нагреватель в сборе для системы, генерирующей аэрозоль, такой как удерживаемая рукой электроуправляемая курительная система, который имеет улучшенные свойства аэрозоля. Дополнительно желательно предоставить более надежный нагреватель в сборе для системы, генерирующей аэрозоль, и предоставить картридж для системы, генерирующей аэрозоль, который имеет улучшенные свойства аэрозоля.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предоставлен нагреватель в сборе для использования в системе, генерирующей аэрозоль, имеющей часть для хранения жидкости для удержания жидкого субстрата, образующего аэрозоль, при этом нагреватель в сборе содержит электрический нагреватель, имеющий по меньшей мере один нагревательный элемент для нагревания жидкого субстрата, образующего аэрозоль, с образованием аэрозоля, и удлиненное капиллярное тело для подведения жидкого субстрата, образующего аэрозоль, из части для хранения жидкости системы, генерирующей аэрозоль, к упомянутому по меньшей мере одному нагревательному элементу, при этом упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент выполнен из электропроводного материала, нанесенного непосредственно на пористую торцевую поверхность удлиненного капиллярного тела.
Преимущественно, контакт между упомянутым по меньшей мере одним нагревательным элементом и капиллярным телом может быть улучшен путем нанесения электропроводного материала непосредственно на пористую торцевую поверхность капиллярного тела с образованием по меньшей мере одного нагревательного элемента. Например, путем компенсации шероховатости или неровности поверхности на торцевой поверхности капиллярного тела. Это может обеспечить снижение числа или интенсивности «горячих точек» на торцевой поверхности капиллярного тела, которые в ином случае могут возникнуть, если нагревательный элемент не находится в контакте с капиллярным телом на протяжении его длины, и может, следовательно, привести в результате к улучшенным свойствам аэрозоля. Улучшенный контакт между упомянутым по меньшей мере одним нагревательным элементом и капиллярным телом может также обеспечить улучшенную доставку жидкого субстрата, образующего аэрозоль, к нагревательному элементу.
Кроме того, путем образования нагревательного элемента посредством нанесения электропроводного материала непосредственно на пористую торцевую поверхность капиллярного тела нагревательный элемент приклеивают к капиллярному телу. Это снижает риск потери контакта между нагревательным элементом и капиллярным телом, вызванной деформацией нагревательного элемента, например, во время сборки или вследствие тепловых напряжений, возникших во время использования. Это также обеспечивает возможность использования геометрических параметров или типов структур нагревателя, которые иным образом были бы невозможными. Например, геометрические параметры или типы структуры нагревательного элемента, которые являются более сложными или в которых используются более тонкие нити, чем было бы возможно при использовании предварительно сформированного электрического нагревателя.
В контексте настоящего документа термином «капиллярное тело» обозначен компонент нагревателя в сборе, который выполнен с возможностью подведения жидкого субстрата, образующего аэрозоль, в электрический нагреватель за счет капиллярного действия.
-2
В контексте настоящего документа термин «электропроводный материал» означает материал, характеризующийся удельным сопротивлением, составляющим 1×10 Ом·м или менее.
В контексте настоящего документа термин «нанесенный» означает наложенный в качестве покрытия на торцевую поверхность капиллярного тела, например, в виде жидкости, плазмы или пара, который впоследствии конденсируется или агрегируется с образованием нагревательного элемента, а не просто помещенный на капиллярное тело в виде твердого, предварительно сформированного компонента.
В контексте настоящего документа термин «нанесенный непосредственно» означает, что электропроводный материал нанесен на пористую торцевую поверхность капиллярного тела так образом, что по меньшей мере один нагревательный элемент находится в непосредственном контакте с пористой внешней поверхностью.
В контексте настоящего документа термин «пористый» означает выполненный из материала, который является проницаемым для жидкого субстрата, образующего аэрозоль, и обеспечивает перемещение жидкого субстрата, образующего аэрозоль, сквозь него.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления электропроводный материал по меньшей мере одного нагревательного элемента по меньшей мере частично рассеян в пористой торцевой поверхности капиллярного тела.
В контексте настоящего документа термин «рассеян в пористой торцевой поверхности» означает, что электропроводный материал встроен в материал пористой торцевой поверхности по границе между электропроводным материалом и капиллярным телом или смешан с ним, например, путем прохождения в поры пористой торцевой поверхности.
При таком расположении контакт между по меньшей мере одним нагревательным элементом и капиллярным телом может быть дополнительно улучшен, что приведет к дальнейшему снижению числа или интенсивности «горячих точек» на торцевой поверхности капиллярного тела и улучшенным свойствам аэрозоля. Кроме того, путем прохождения в пористую торцевую поверхность капиллярного тела площадь контакта между упомянутым по меньшей мере одним нагревательным элементом и капиллярным телом увеличивается. Это может привести к дополнительному улучшению доставки жидкого субстрата, образующего аэрозоль, к нагревательному элементу капиллярным телом и к улучшенному нагреванию жидкого субстрата, образующего аэрозоль, нагревательным элементом. Это также может улучшить адгезию между нагревательным элементом и капиллярным телом, дополнительно снижая риск потери контакта между нагревательным элементом и капиллярным телом, вызванной деформацией нагревательного элемента, например, во время сборки или вследствие тепловых напряжений, возникших во время использования.
Электропроводный материал, из которого выполнен упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент, может быть нанесен на пористую торцевую поверхность любым подходящим образом. Например, электропроводный материал может быть нанесен на пористую торцевую поверхность капиллярного тела в виде жидкости с использованием дозирующей пипетки или шприца, или с использованием устройства для переноса с тонким кончиком, такого как игла.
В некоторых вариантах осуществления упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент содержит пригодный для печатания электропроводный материал, напечатанный на пористой торцевой поверхности капиллярного тела. В таких вариантах осуществления может быть использован любой подходящий известный метод печати. Например, один или более из трафаретной печати, глубокой печати, флексографической печати, струйной печати. Такие методы печати могут быть особенно применимы для высокоскоростных способов производства.
В качестве альтернативы, электропроводный материал, из которого выполнен упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент, может быть нанесен на пористую торцевую поверхность капиллярного тела посредством одного или более процессов вакуумного осаждения, таких как осаждение из паровой фазы и распыление.
По меньшей мере один нагревательный элемент может быть выполнен из любого подходящего электропроводного материала. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления электропроводный материал содержит один или более из металла, электропроводного полимера и электропроводного керамического материала.
Подходящие электропроводные металлы включают алюминий, серебро, никель, золото, платину, медь, вольфрам и их сплавы. В некоторых вариантах осуществления электропроводный материал содержит металлический порошок, суспендированный в клее, таком как эпоксидная смола. В одном варианте осуществления электропроводный материал содержит эпоксидную смолу, содержащую серебро.
Подходящие электропроводные полимеры включают PEDOT (поли(3,4-этилендиокситиофен)), PSS (поли(п-фениленсульфид)), PEDOT:PSS (смесь, содержащая как PEDOT, так и PSS), PANI (полианилины), PPY (поли(пиррол)ы), PPV (поли(п-фениленвинилен)) или любую их комбинацию.
Подходящие электропроводные керамические материалы включают ITO (оксид индия и олова), SLT (титанат стронция, легированный лантаном), SYT (титанат стронция, легированный иттрием) или любую их комбинацию.
Электропроводный материал может дополнительно содержать одну или более добавок, выбранных из группы, состоящей из растворителей; отвердителей; усилителей адгезии; поверхностно-активных веществ; средств для снижения вязкости и ингибиторов агрегации. Такие добавки могут быть использованы, например, для способствования нанесению электропроводного материала на пористую торцевую поверхность капиллярного тела, для увеличения степени рассеивания электропроводного материала в пористой торцевой поверхности капиллярного тела, для снижения времени, необходимого для обеспечения схватывания электропроводного материала, для увеличения уровня адгезии между электропроводным материалом и капиллярным телом или для снижения степени агрегации суспендированных частиц, таких как металлические частицы или порошок, в электропроводном материале перед нанесением на пористую торцевую поверхность капиллярного тела.
Профиль нагрева электрического нагревателя может быть по существу постоянным на протяжении пористой торцевой поверхности капиллярного тела.
В некоторых вариантах осуществления упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент расположен таким образом, что его температурный профиль изменяется на протяжении электрического нагревателя.
Преимущественно путем изменения температурного профиля упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента количество тепла, генерируемого электрическим нагревателем на протяжении торцевой поверхности капиллярного тела, может быть настроено в соответствии с характеристиками картриджа, например, в соответствии с характеристиками потока воздуха картриджа.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент расположен таким образом, что электрический нагреватель генерирует большее количество тепла по направлению к периферии пористой торцевой поверхности. Это позволяет электрическому нагревателю компенсировать потерю тепла с периферии торцевой поверхности, например, потерю тепла вследствие теплопроводности, что в результате приводит к более равномерной температуре на протяжении пористой торцевой поверхности.
Профиль нагрева электрического нагревателя может быть изменен на протяжении пористой торцевой поверхности путем изменения распределения упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента на протяжении пористой торцевой поверхности. Например, профиль нагрева электрического нагревателя может быть увеличен по направлению к центру пористой торцевой поверхности путем увеличения плотности распределения упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента по направлению к центру пористой торцевой поверхности. В контексте настоящего документа термином «плотность распределения» обозначена доля пористой торцевой поверхности, на которую нанесен электропроводный материал упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента. Например, плотность распределения в конкретной области пористой торцевой поверхности, равная 50 процентам, будет указывать на то, что электропроводный материал нанесен на 50 процентов этой области, и не нанесен на оставшиеся 50 процентов этой области.
Профиль нагрева электрического нагревателя может быть изменен на протяжении пористой торцевой поверхности путем изменения сопротивления нагревательного элемента на протяжении пористой торцевой поверхности.
В некоторых вариантах осуществления сопротивление упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента уменьшается по направлению к центру пористой торцевой поверхности для изменения профиля нагрева электрического нагревателя на протяжении пористой торцевой поверхности. При таком расположении электрический нагреватель генерирует большее количество тепла по направлению к периферии пористой торцевой поверхности капиллярного тела. Это может позволить электрическому нагревателю компенсировать потерю тепла с периферии торцевой поверхности капиллярного тела, например, потерю тепла вследствие теплопроводности, что в результате приводит к более равномерной температуре на протяжении пористой торцевой поверхности капиллярного тела.
Сопротивление упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента может быть изменено путем использования множества нагревательных элементов, выполненных из электропроводных материалов с различными значениями удельного сопротивления. Например, сопротивление упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента может быть уменьшено по направлению к центру пористой торцевой поверхности путем расположения множества нагревательных элементов на пористой торцевой поверхности таким образом, что удельное сопротивление упомянутого по меньшей мере одного из нагревательных элементов по направлению к периферии пористой торцевой поверхности капиллярного тела больше, чем удельное сопротивление по меньшей мере одного из нагревательных элементов по направлению к центру пористой торцевой поверхности капиллярного тела.
В некоторых вариантах осуществления изменяется площадь поперечного сечения упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента. Это позволяет настраивать температурный профиль по меньшей мере одного нагревательного элемента в соответствии с характеристиками картриджа, поскольку сопротивление упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента обратно пропорционально его площади поперечного сечения. В таких вариантах осуществления упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент может содержать нагревательный элемент с площадью поперечного сечения, которая изменяется на протяжении длины нагревательного элемента. В качестве альтернативы или дополнения, упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент может содержать первый нагревательный элемент с первой площадью поперечного сечения и второй нагревательный элемент со второй площадью поперечного сечения, которая отличается от первой площади поперечного сечения.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления площадь поперечного сечения упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента увеличивается по направлению к центру пористой торцевой поверхности. Это приводит в результате к генерированию большего количества тепла от упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента по направлению к периферии пористой торцевой поверхности. Это позволяет электрическому нагревателю компенсировать потерю тепла с периферии торцевой поверхности, например, потерю тепла вследствие теплопроводности, что в результате приводит к более равномерной температуре на протяжении пористой торцевой поверхности.
Площадь поперечного сечения упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента может быть изменена путем изменения толщины упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента, или ширины упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента, или как толщины, так и ширины упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента.
В контексте настоящего документа терминами «изменяются», «изменяется», «отличаются», «отличается» и «различный» обозначены отклонения от стандартных производственных допусков и, в частности, значения, которые отличаются друг от друга по меньшей мере на 5 процентов.
В контексте настоящего документа термином «толщина» обозначен геометрический размер нагревательного элемента в направлении, перпендикулярном пористой торцевой поверхности капиллярного тела и перпендикулярном длине нагревательного элемента.
В контексте настоящего документа термином «ширина» обозначен геометрический размер нагревательного элемента в направлении, параллельном пористой торцевой поверхности капиллярного тела и перпендикулярном длине нагревательного элемента.
В любом из вариантов осуществления, описанных выше, смежные части по меньшей мере одного нагревательного элемента могут быть расположены на расстоянии друг от друга для определения множества щелей в электрическом нагревателе, при этом размер щелей изменяется для изменения температурного профиля электрического нагревателя. В таких вариантах осуществления по меньшей мере один нагревательный элемент может содержать множество нагревательных элементов, которые расположены на расстоянии друг от друга для определения множества щелей. В качестве альтернативы или дополнения, упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент может содержать один или более нагревательных элементов, которые образуют нелинейную форму таким образом, что смежные секции одного или более нагревательных элементов расположены на расстоянии друг от друга для определения множества щелей.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления размер щелей становится меньше по направлению к периферии пористой поверхности капиллярного тела.
Это может привести в результате к генерированию большего количества тепла от упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента по направлению к периферии пористой торцевой поверхности. Это позволяет электрическому нагревателю компенсировать потерю тепла с периферии торцевой поверхности, например, потерю тепла вследствие теплопроводности, что в результате приводит к более равномерной температуре на протяжении пористой торцевой поверхности. Такое расположение также обеспечивает прохождение большего количества аэрозоля через электрический нагреватель в центральной части пористой торцевой поверхности и может быть преимущественным в нагревателях в сборе, в которых центр пористой поверхности представляет собой наиболее важную область испарения. Например, средний размер щелей в периферийной части пористой торцевой поверхности капиллярного тела по меньшей мере на 10 процентов меньше среднего размера щелей, расположенных снаружи периферийной части пористой торцевой поверхности капиллярного тела, предпочтительно - по меньшей мере на 20 процентов меньше, более предпочтительно - по меньшей мере на 30 процентов меньше. Например, периферийная часть может иметь площадь, составляющую менее приблизительно 80 процентов от общей площади пористой торцевой поверхности капиллярного тела, предпочтительно - менее приблизительно 60 процентов, более предпочтительно - менее приблизительно 40 процентов, наиболее предпочтительно - менее приблизительно 20 процентов.
Электрический нагреватель может содержать один нагревательный элемент. В качестве альтернативы, электрический нагреватель может содержать множество нагревательных элементов, соединенных последовательно или параллельно. В таких вариантах осуществления множество нагревательных элементов могут быть выполнены из одного и того же электропроводного материала.
В качестве альтернативы, электрический нагреватель может содержать по меньшей мере один первый нагревательный элемент, выполненный из первого электропроводного материала, и по меньшей мере один второй нагревательный элемент, выполненный из второго электропроводного материала, отличного от первого электропроводного материала, при этом первый и второй электропроводные материалы нанесены непосредственно на пористую торцевую поверхность капиллярного тела. Предпочтительно, удельное сопротивление первого электропроводного материала отличается от удельного сопротивления второго электропроводного материала.
Преимущественно, это позволяет настраивать температурный профиль по меньшей мере одного нагревательного элемента, и, таким образом, количество тепла, генерируемого электрическим нагревателем на протяжении торцевой поверхности капиллярного тела, в соответствии с требуемыми характеристиками.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления электрический нагреватель содержит множество нагревательных элементов, выполненных из электропроводных материалов с различными значениями удельного сопротивления. В таких вариантах осуществления множество нагревательных элементов могут быть расположены таким образом, что удельное сопротивление упомянутого по меньшей мере одного из нагревательных элементов по направлению к периферии пористой торцевой поверхности капиллярного тела больше, чем удельное сопротивление упомянутого по меньшей мере одного из нагревательных элементов по направлению к центру пористой торцевой поверхности капиллярного тела. При таком расположении электрический нагреватель генерирует большее количество тепла по направлению к периферии пористой торцевой поверхности капиллярного тела. Это позволяет электрическому нагревателю компенсировать потерю тепла с периферии торцевой поверхности капиллярного тела, например, потерю тепла вследствие теплопроводности, что в результате приводит к более равномерной температуре на протяжении пористой торцевой поверхности капиллярного тела.
Электрический нагреватель может содержать множество нагревательных элементов, выполненных из множества различных электропроводных материалов. В некоторых вариантах осуществления электрический нагреватель содержит множество нагревательных элементов, каждый из которых выполнен из другого электропроводного материала.
Один или более нагревательных элементов могут быть выполнены из материала, сопротивление которого сильно изменяется в зависимости от температуры, такого как сплав железа и алюминия. Это обеспечивает возможность использования величины сопротивления нагревательных элементов для определения температуры или изменений температуры. Это может быть использовано в системе обнаружения затяжки и для управления
Электрический нагреватель может содержать первую и вторую электропроводные контактные части, находящиеся в электрическом контакте с по меньшей мере одним нагревательным элементом. В таких вариантах осуществления первая и вторая электропроводные контактные части могут быть выполнены из электропроводного материала, нанесенного непосредственно на пористую торцевую поверхность капиллярного тела.
В некоторых вариантах осуществления по существу весь электрический нагреватель выполнен из одного или более электропроводных материалов, нанесенных непосредственно на пористую торцевую поверхность капиллярного тела.
Электрическое сопротивление электрического нагревателя предпочтительно составляет от 0,3 Ом до 4 Ом. Более предпочтительно, электрическое сопротивление электрического нагревателя составляет от 0,5 Ом до 3 Ом, и более предпочтительно - приблизительно 1 Ом.
В случае если электрический нагреватель содержит электропроводные контактные части для вступления в контакт с упомянутым по меньшей мере одним нагревательным элементом, электрическое сопротивление упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента предпочтительно - по меньшей мере на порядок, и более предпочтительно - по меньшей мере на два порядка больше, чем электрическое сопротивление электропроводных контактных частей. Это обеспечивает локализацию тепла, генерируемого в результате протекания тока через электрический нагреватель, по меньшей мере на одном нагревательном элементе. Низкое общее сопротивление электрического нагревателя в целом является преимущественным, если картридж предназначен для использования совместно с системой, генерирующей аэрозоль, питаемой от батареи. Минимизация паразитных потерь между электрическими контактами и нагревательными элементами также является желательной для минимизации паразитных потерь мощности. Система с низким сопротивлением и высоким током обеспечивает возможность подачи высокой мощности на электрический нагреватель. Это обеспечивает возможность быстрого нагревания нагревателем нагревательных элементов до необходимой температуры.
Электропроводные контактные части могут быть непосредственно прикреплены к упомянутому по меньшей мере одному нагревательному элементу. В качестве альтернативы электропроводные контактные части могут составлять единое целое с упомянутым по меньшей мере одним нагревательным элементом. Предоставление электропроводных контактных частей, которые составляют единое целое с по меньшей мере одним нагревательным элементом, обеспечивает возможность надежного и простого соединения электрического нагревателя с источником питания.
Капиллярное тело может представлять собой капиллярный фитиль или любой другой тип или форму капиллярного тела, такую как капиллярная трубка. В предпочтительных вариантах осуществления капиллярное тело содержит капиллярный материал. Капиллярный материал может содержать любой подходящий материал или комбинации материалов. Капиллярное тело может содержать один капиллярный материал.
В некоторых вариантах осуществления капиллярное тело содержит первый капиллярный материал и второй капиллярный материал, при этом упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент выполнен из электропроводного материала, нанесенного непосредственно на пористую торцевую поверхность первого капиллярного материала, и при этом второй капиллярный материал находится в контакте с первым капиллярным материалом и отделен от электрического нагревателя первым капиллярным материалом, при этом первый капиллярный материал имеет более высокую температуру термического разложения, чем второй капиллярный материал. Первый капиллярный материал эффективно действует как разделитель, отделяющий по меньшей мере один нагревательный элемент от второго капиллярного материала, так что второй капиллярный материал не подвергается воздействию температур, превышающих температуру его термического разложения. В некоторых вариантах осуществления температура термического разложения первого капиллярного материала составляет по меньшей мере 160 градусов Цельсия и предпочтительно - по меньшей мере 250 градусов Цельсия.
В контексте настоящего документа «температура термического разложения» означает температуру, при которой материал начинает разлагаться и терять массу в результате генерирования газообразных побочных продуктов.
Второй капиллярный материал может преимущественно занимать больший объем, чем первый капиллярный материал, и может удерживать большее количество субстрата, образующего аэрозоль, чем первый капиллярный материал. Второй капиллярный материал может иметь лучшие фитильные свойства по сравнению с первым капиллярным материалом. Второй капиллярный материал может являться менее дорогостоящим или иметь более высокую заполняемость, чем первый капиллярный материал. Второй капиллярный материал может представлять собой полипропилен.
Первый капиллярный материал может отделять электрический нагреватель от второго капиллярного материала расстоянием, составляющим по меньшей мере 1,5 миллиметра и предпочтительно - от 1,5 миллиметра до 2 миллиметров, с целью обеспечения достаточного падения температуры на первом капиллярном материале.
Если капиллярное тело содержит капиллярный материал, капиллярный материал может иметь волокнистую или губчатую структуру. Капиллярный материал предпочтительно содержит пучок капилляров. Например, капиллярный материал может содержать множество волокон или нитей или других трубок с тонкими каналами. Волокна или нити могут быть, в целом, выровнены для подведения жидкости в нагреватель. В качестве альтернативы, капиллярный материал может содержать губкообразный или пенообразный материал. Структура капиллярного материала образует множество небольших каналов или трубок, через которые жидкость может быть перемещена за счет капиллярного действия. Капиллярный(-ые) материал или материалы может(могут) 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 спекшихся порошков, вспененный металлический или пластиковый материал, волокнистый материал, например, выполненный 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, позволяющие использовать его с жидкостями, имеющими различные физические свойства. Жидкость имеет физические свойства, включая, помимо всего прочего, вязкость, поверхностное натяжение, плотность, теплопроводность, температуру кипения и давление пара, которые обеспечивают возможность транспортировки жидкости через капиллярное устройство за счет капиллярного действия.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предоставлен картридж для использования в системе, генерирующей аэрозоль, при этом картридж содержит часть для хранения жидкости для удержания жидкого субстрата, образующего аэрозоль; и нагреватель в сборе в соответствии с любым из вариантов осуществления, описанных выше.
В альтернативных вариантах осуществления нагреватель в сборе может быть предоставлен в качестве неотделимой части системы, генерирующей аэрозоль, а не образующей части картриджа для использования в системе, генерирующей аэрозоль.
Часть для хранения жидкости картриджа может быть предоставлена капиллярным телом. Например, капиллярное тело может быть выполнено из капиллярного материала с высокой удерживающей способностью, который образует часть для хранения жидкости картриджа. В качестве альтернативы, часть для хранения жидкости и капиллярное тело могут быть различными компонентами картриджа.
В случае если часть для хранения жидкости и капиллярное тело являются различными компонентами картриджа, в некоторых вариантах осуществления капиллярное тело содержит первый конец, проходящий в часть для хранения жидкости для контакта с жидкостью в ней, и пористый второй конец, противоположный первому концу, при этом по меньшей мере один нагревательный элемент выполнен из электропроводного материала, нанесенного непосредственно на второй конец капиллярного тела. В качестве альтернативы, первый конец капиллярного тела может находиться снаружи части для хранения жидкости, и капиллярное тело может содержать по меньшей мере одну другую пористую поверхность для контакта с жидкостью в части для хранения жидкости. Например, капиллярное тело может содержать одну или более пористых боковых стенок капиллярного тела для контакта с жидкостью в части для хранения жидкости, посредством которых жидкий субстрат, образующий аэрозоль, подводится из части для хранения жидкости в электрический нагреватель.
Часть для хранения жидкости может содержать корпус для удержания жидкого субстрата, образующего аэрозоль, при этом корпус имеет отверстие, причем капиллярное тело расположено таким образом, что электрический нагреватель проходит на протяжении отверстия.
Картридж может содержать часть для хранения жидкости, содержащую корпус для удержания жидкого субстрата, образующего аэрозоль, при этом корпус имеет отверстие. Корпус может быть жестким корпусом и непроницаемым для текучей среды. В контексте настоящего документа «жесткий корпус» означает корпус, который является самонесущим. Капиллярное тело может представлять собой капиллярный материал, содержащийся в корпусе части для хранения.
Корпус может содержать два или более различных капиллярных материалов, при этом первый капиллярный материал, находящийся в контакте с упомянутым по меньшей мере одним нагревательным элементом, имеет более высокую температуру термического разложения, а второй капиллярный материал, находящийся в контакте с первым капиллярным материалом, но не находящийся в контакте с упомянутым по меньшей мере одним нагревательным элементом, имеет более низкую температуру термического разложения. Первый капиллярный материал эффективно действует как разделитель, отделяющий нагревательный элемент от второго капиллярного материала, так что второй капиллярный материал не подвергается воздействию температур, превышающих температуру его термического разложения. В контексте настоящего документа «температура термического разложения» означает температуру, при которой материал начинает разлагаться и терять массу в результате генерирования газообразных побочных продуктов. Второй капиллярный материал может преимущественно занимать больший объем, чем первый капиллярный материал, и может удерживать большее количество субстрата, образующего аэрозоль, чем первый капиллярный материал. Второй капиллярный материал может иметь лучшие фитильные свойства по сравнению с первым капиллярным материалом. Второй капиллярный материал может являться менее дорогостоящим или иметь более высокую заполняемость, чем первый капиллярный материал. Второй капиллярный материал может представлять собой полипропилен.
В случае если часть для хранения жидкости содержит корпус, имеющий отверстие, упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент может проходить на протяжении всего геометрического размера по длине отверстия корпуса. Геометрический размер по ширине представляет собой геометрический размер, перпендикулярный геометрическому размеру по длине в плоскости отверстия. Предпочтительно, по меньшей мере один нагревательный элемент имеет ширину, которая меньше ширины отверстия корпуса. Предпочтительно, электрический нагреватель расположен на расстоянии от периметра отверстия. Ширина упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента может быть меньше ширины отверстия по меньшей мере в части отверстия. Ширина упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента может быть меньше ширины отверстия по всему отверстию. Ширина упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента может составлять менее 90 процентов, например, менее 50 процентов, например, менее 30 процентов, например, менее 25 процентов ширины отверстия корпуса. Площадь упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента может составлять менее 90 процентов, например, менее 50 процентов, например, менее 30 процентов, например, менее 25 процентов площади отверстия корпуса. Площадь упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента может составлять, например, от 10 процентов до 50 процентов площади отверстия, предпочтительно - от 15 до 25 процентов площади отверстия. Открытая площадь по меньшей мере одного нагревательного элемента, которая является отношением площади щелей к общей площади электрического нагревателя, предпочтительно составляет от приблизительно 25 процентов до приблизительно 56 процентов. Отверстие может иметь любую подходящую форму. Например, отверстие может иметь круглую, квадратную или прямоугольную форму. Площадь отверстия может быть небольшой, предпочтительно равной приблизительно 25 или менее квадратных миллиметров. Промежуток между нагревательным элементом и периферией отверстия предпочтительно имеет такой размер, чтобы значительно уменьшать тепловой контакт. Промежуток между нагревательным элементом и периферией отверстия может составлять от 25 микронов до 40 микронов.
Упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент предпочтительно расположен таким образом, чтобы площадь физического контакта с частью для хранения была уменьшена по сравнению со случаем, когда нагревательные элементы электрического нагревателя находятся в контакте по всей периферии части для хранения жидкости. Упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент предпочтительно не находится в непосредственном контакте с периметром части для хранения жидкости. Таким образом снижается тепловой контакт с частью для хранения жидкости, и снижаются потери тепла в части для хранения жидкости и дополнительных смежных элементах, например, элементах системы, генерирующей аэрозоль, в которой используется картридж.
Не желая ограничиваться какой-либо конкретной теорией, считается, что вследствие отдаления нагревательного элемента от части для хранения жидкости меньше тепла передается на часть для хранения жидкости, что таким образом повышает эффективность нагревания и, следовательно, генерирования аэрозоля.
Электрический нагреватель может содержать один нагревательный элемент или множество нагревательных элементов, соединенных параллельно или последовательно. В случае если электрический нагреватель содержит по меньшей мере первую и вторую электропроводные контактные части для вступления в контакт с упомянутым по меньшей мере одним нагревательным элементом, первая и вторая электропроводные контактные части могут быть расположены так, что первая контактная часть контактирует с первым нагревательным элементом, а вторая контактная часть контактирует с последним нагревательным элементом из последовательно соединенных нагревательных элементов. Для того чтобы обеспечить возможность последовательного соединения всех нагревательных элементов, могут быть предоставлены дополнительные контактные части.
В случае если электрический нагреватель содержит множество нагревательных элементов, нагревательные элементы могут быть пространственно расположены по существу параллельно друг другу. Предпочтительно нагревательные элементы расположены на расстоянии друг от друга. Не желая ограничиваться какой-либо конкретной теорией, считается, что расположение нагревательных элементов на расстоянии друг от друга может обеспечить более эффективное нагревание. Путем расположения нагревательных элементов на надлежащем расстоянии друг от друга может быть, например, обеспечено более равномерное нагревание по всей площади отверстия по сравнению, например, со случаем, когда используется один нагревательный элемент, имеющий такую же площадь.
В случае если электрический нагреватель содержит множество нагревательных элементов, по меньшей мере один из множества нагревательных элементов может содержать первый материал, и по меньшей мере один другой из множества нагревательных элементов может содержать второй материал, отличный от первого материала. Это может представлять преимущество из электрических или механических соображений. Например, один или более нагревательных элементов могут быть выполнены из материала, сопротивление которого значительно изменяется в зависимости от температуры, такого как сплав железа и алюминия. Это обеспечивает возможность использования величины сопротивления нагревательных элементов для определения температуры или изменений температуры. Это может быть использовано в системе обнаружения затяжки и для управления температурой нагревателя в целях поддержания ее в пределах необходимого температурного диапазона.
Упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент может содержать группу электропроводных нитей, проходящих вдоль длины упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента, при этом множество щелей образованы промежутками между электропроводными нитями. В таких вариантах осуществления размер множества щелей может быть изменен путем увеличения или уменьшения размера промежутков между смежными нитями. Этого можно достичь путем изменения ширины электропроводных нитей, или путем изменения интервала между смежными нитями, или путем изменения как ширины электропроводных нитей, так и интервала между смежными нитями.
В контексте настоящего документа термином «нить» обозначен электрический путь, расположенный между двумя электрическим контактами. Нить может быть произвольно разветвлена и разделена на несколько каналов или нитей соответственно или может быть сведена из нескольких электрических каналов в один канал. Поперечное сечение нити может иметь круглую, квадратную, плоскую или любую другую форму. В предпочтительном варианте осуществления нити имеют по существу плоское поперечное сечение. Нить может быть расположена прямолинейным или криволинейным образом.
Электропроводные нити могут быть по существу плоскими.
В контексте настоящего документа «по существу плоский» предпочтительно означает образованный в одной плоскости и, например, не обернутый вокруг чего-либо или иным образом не приспособленный для соответствия криволинейной или другой плоской форме. Плоский электрический нагреватель может быть легко обработан во время изготовления и обеспечивает надежную конструкцию.
Жидкий субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой жидкий субстрат, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Летучие соединения могут быть высвобождены путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль.
Субстрат, образующий аэрозоль, представляет собой жидкость. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать материал растительного происхождения. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табак. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие табачные ароматические соединения, которые высвобождаются из субстрата, образующего аэрозоль, при нагревании. Субстрат, образующий аэрозоль, в качестве альтернативы может содержать материал, не содержащий табака. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать гомогенизированный материал растительного происхождения. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать гомогенизированный табачный материал. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать по меньшей мере одно вещество для образования аэрозоля. Вещество для образования аэрозоля представляет собой любое подходящее известное соединение или смесь соединений, которое при использовании способствует образованию плотного и устойчивого аэрозоля и которое при рабочей температуре системы по существу устойчиво к термической деградации. Подходящие вещества для образования аэрозоля хорошо известны из уровня техники и включают, помимо всего прочего, многоатомные спирты, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и глицерин, сложные эфиры многоатомных спиртов, такие как глицерол моно-, ди- или триацетат, и алифатические сложные эфиры моно-, ди- или поликарбоновых кислот, такие как диметилдодекандиоат и диметилтетрадекандиоат. Предпочтительными веществами для образования аэрозоля являются многоатомные спирты или их смеси, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и, наиболее предпочтительно, глицерин. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать другие добавки и ингредиенты, такие как ароматизаторы.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предоставлена система, генерирующая аэрозоль, содержащая устройство, генерирующее аэрозоль, и картридж согласно любому из вариантов осуществления, описанных выше, при этом картридж соединен с возможностью отсоединения с устройством, генерирующим аэрозоль, и при этом устройство, генерирующее аэрозоль, содержит источник питания для электрического нагревателя.
В контексте настоящего документа «картридж, соединенный с возможностью отсоединения с устройством» означает, что картридж и устройство могут быть соединены и отсоединены друг от друга без повреждения как устройства, так и картриджа.
Картридж может быть заменен после израсходования. Поскольку картридж удерживает субстрат, образующий аэрозоль, и электрический нагреватель, электрический нагреватель также регулярно заменяют, в результате чего поддерживаются оптимальные условия испарения даже после длительного использования главного блока.
Система, генерирующая аэрозоль, может дополнительно содержать электрическую схему, соединенную с электрическим нагревателем и источником электропитания, при этом электрическая схема выполнена с возможностью отслеживания электрического сопротивления электрического нагревателя и регулировки подачи питания от источника электропитания на электрический нагреватель на основании отслеженного электрического сопротивления. Например, электрическая схема может быть выполнена с возможностью отслеживания электрического сопротивления одного или более нагревательных элементов. Путем отслеживания температуры электрического нагревателя система может предотвращать избыточное или недостаточное нагревание электрического нагревателя и гарантировать обеспечение оптимальных условий испарения.
Электрическая схема может содержать микропроцессор, который может представлять собой программируемый микропроцессор, микроконтроллер или специализированную интегральную микросхему (ASIC) или другую электронную схему, способную осуществлять управление. Электрическая схема может содержать дополнительные электронные компоненты. Электрическая схема может быть выполнена с возможностью регулирования подачи питания на нагреватель. Питание может подаваться на электрический нагреватель непрерывно после активации системы или может подаваться с перерывами, например, на основании затяжек. Питание может подаваться на электрический нагреватель в виде импульсов электрического тока.
Устройство, генерирующее аэрозоль, содержит источник питания для электрического нагревателя картриджа. Источником питания может быть батарея, такая как литий-железо-фосфатная батарея, расположенная внутри устройства. В качестве альтернативы источник питания может представлять собой устройство накопления заряда другого типа, такое как конденсатор. Источник питания может требовать перезарядки и может обладать емкостью, позволяющей накапливать достаточное количество энергии для одного или более сеансов курения. Например, источник питания может обладать достаточной емкостью для обеспечения возможности осуществления непрерывного генерирования аэрозоля в течение периода, равного приблизительно шести минутам, что соответствует обычному времени, необходимому для выкуривания традиционной сигареты, или в течение периода, кратного шести минутам. В другом примере источник питания может обладать достаточной емкостью для обеспечения возможности осуществления предварительно заданного количества затяжек или отдельных активаций нагревателя.
Часть для хранения жидкости может быть расположена на первой стороне электрического нагревателя, а канал для потока воздуха расположен на противоположной стороне электрического нагревателя относительно части для хранения, вследствие чего поток воздуха, протекающий мимо электрического нагревателя, увлекает испаренный субстрат, образующий аэрозоль.
Система может представлять собой электроуправляемую курительную систему. Система может представлять собой удерживаемую рукой систему, генерирующую аэрозоль. Система, генерирующая аэрозоль, может иметь размер, сопоставимый с размером традиционной сигары или сигареты. Курительная система может иметь общую длину, составляющую от примерно 30 миллиметров до примерно 150 миллиметров. Курительная система может иметь внешний диаметр, составляющий от примерно 5 миллиметров до примерно 30 миллиметров.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предоставлен способ изготовления картриджа для использования в системе, генерирующей аэрозоль, при этом способ включает следующие этапы: предоставление части для хранения жидкости для удержания жидкого субстрата, образующего аэрозоль; предоставление капиллярного тела, имеющего пористую торцевую поверхность; образование электрического нагревательного элемента путем нанесения электропроводного материала непосредственно на пористую торцевую поверхность капиллярного тела; заполнение части для хранения жидкости жидким субстратом, образующим аэрозоль; и присоединение капиллярного тела к части для хранения жидкости таким образом, что жидкий субстрат, образующий аэрозоль, содержащийся в части для хранения жидкости, подводится из части для хранения жидкости к электрическому нагревательному элементу посредством капиллярного тела.
Часть для хранения жидкости картриджа может быть предоставлена капиллярным телом. Например, капиллярное тело может быть выполнено из капиллярного материала с высокой удерживающей способностью, который образует часть для хранения жидкости картриджа. В качестве альтернативы часть для хранения жидкости и капиллярное тело могут быть различными компонентами картриджа.
В случае если часть для хранения жидкости и капиллярное тело являются различными компонентами картриджа, в некоторых вариантах осуществления капиллярное тело содержит первый конец, проходящий в часть для хранения жидкости для контакта с жидкостью в ней, и пористый второй конец, противоположный первому концу, при этом упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент выполнен из электропроводного материала, нанесенного непосредственно на второй конец капиллярного тела. В качестве альтернативы, первый конец капиллярного тела может находиться снаружи части для хранения жидкости, и капиллярное тело может содержать по меньшей мере одну другую пористую поверхность для контакта с жидкостью в части для хранения жидкости. Например, капиллярное тело может содержать одну или более пористых боковых стенок капиллярного тела для контакта с жидкостью в части для хранения жидкости, посредством которых жидкий субстрат, образующий аэрозоль, подводится из части для хранения жидкости в электрический нагреватель.
Часть для хранения жидкости может содержать корпус для удержания жидкого субстрата, образующего аэрозоль, при этом корпус имеет отверстие, причем капиллярное тело расположено таким образом, что электрический нагреватель проходит на протяжении отверстия.
Электропроводный материал, из которого выполнен упомянутый по меньшей мере один нагревательный элемент, может быть нанесен на пористую торцевую поверхность любым подходящим образом. Например, электропроводный материал может быть нанесен на пористую торцевую поверхность капиллярного тела в виде жидкости с использованием дозирующей пипетки или шприца, или с использованием устройства для переноса с тонким кончиком, такого как игла. В некоторых вариантах осуществления электропроводный материал наносят непосредственно на пористую торцевую поверхность капиллярного тела посредством одного или более способов вакуумного осаждения, таких как осаждение из паровой фазы и распыление.
В предпочтительных вариантах осуществления электропроводный материал наносят путем печати пригодного для печатания электропроводного материала непосредственно на пористую торцевую поверхность капиллярного тела. В таких вариантах осуществления может быть использован любой подходящий известный метод печати. Например, может быть использован один или более из трафаретной печати, глубокой печати, флексографической печати, струйной печати. Такие методы печати могут быть особенно преимущественными при использовании в высокоскоростных способах производства.
Пригодный для печатания электропроводный материал может содержать любой подходящий электропроводный материал. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления электропроводный материал содержит один или более из металла, электропроводного полимера и электропроводного керамического материала.
Подходящие электропроводные металлы включают алюминий, серебро, никель, золото, платину, медь, вольфрам и их сплавы. В некоторых вариантах осуществления электропроводный материал содержит металлический порошок, суспендированный в клее, таком как эпоксидная смола. В одном варианте осуществления электропроводный материал содержит эпоксидную смолу, содержащую серебро.
Подходящие электропроводные полимеры включают PEDOT (поли(3,4-этилендиокситиофен)), PSS (поли(п-фениленсульфид)), PEDOT:PSS (смесь, содержащая как PEDOT, так и PSS), PANI (полианилины), PPY (поли(пиррол)ы), PPV (поли(п-фениленвинилен)) или любую их комбинацию.
Подходящие электропроводные керамические материалы включают ITO (оксид индия и олова), SLT (титанат стронция, легированный лантаном), SYT (титанат стронция, легированный иттрием) или любую их комбинацию.
Пригодный для печатания электропроводный материал может дополнительно содержать одну или более добавок, выбранных из группы, включающей растворители, отвердители, усилители адгезии, поверхностно-активные вещества, средства для снижения вязкости и ингибиторов агрегации. Такие добавки могут быть использованы, например, для способствования нанесению электропроводного материала на пористую торцевую поверхность капиллярного тела, для увеличения степени рассеивания электропроводного материала в пористой торцевой поверхности капиллярного тела, для снижения времени, необходимого для обеспечения схватывания электропроводного материала, для увеличения уровня адгезии между электропроводным материалом и капиллярным телом или для снижения степени агрегации суспендированных частиц, таких как металлические частицы или порошок, в электропроводном материале перед нанесением на пористую торцевую поверхность капиллярного тела.
После печати на пористой торцевой поверхности капиллярного тела напечатанный электропроводный материал может быть отвержден любым подходящим образом с образованием по меньшей мере одного нагревательного элемента. Например, напечатанный электропроводный материал может быть отвержден путем воздействия теплом или ультрафиолетовым светом. В качестве альтернативы или дополнения, напечатанный электропроводный материал может быть отвержден путем спекания или путем инициации химической реакции. В одном конкретном варианте осуществления напечатанный электропроводный материал содержит медь и отвержден с образованием по меньшей мере одного нагревательного элемента путем инициации химической реакции.
В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает этап теплообработки электропроводного материала для увеличения электропроводности упомянутого по меньшей мере одного нагревательного элемента. В одном конкретном варианте осуществления электропроводный материал содержит электропроводные керамические материалы, такие как оксид индия и олова, и при этом способ дополнительно включает этап теплообработки электропроводного материала для обеспечения роста микрокристаллических зерен керамического материала и, таким образом, увеличения его электропроводности.
Признаки, описанные в отношении одного или более аспектов, могут быть в равной степени применены и к другим аспектам настоящего изобретения. В частности, признаки, описанные в отношении нагревателя в сборе согласно первому аспекту, могут быть в равной степени применены к картриджу согласно второму аспекту и наоборот, и признаки, описанные в отношении нагревателя в сборе согласно первому аспекту или картриджа согласно второму аспекту, могут быть в равной степени применены к системе, генерирующей аэрозоль, согласно третьему аспекту или к способу изготовления согласно четвертому аспекту.
Варианты осуществления настоящего изобретения будут далее описаны исключительно в качестве примера со ссылкой на сопроводительные графические материалы, на которых:
на фиг.1A-1D показаны схематические иллюстрации системы, содержащей картридж, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг.2 показан покомпонентный вид картриджа системы, показанной на фиг.1;
на фиг.3A-3E показаны нагреватели в сборе согласно c первого по пятый примерам; и
на фиг.4 показан график зависимости температуры от расстояния на протяжении торцевой поверхности капиллярного тела для каждого из видов расположений, изображенных на фиг.3A и 3E.
На фиг.1A-1D показаны схематические иллюстрации системы, генерирующей аэрозоль, содержащей картридж, согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.1A показан схематический вид устройства 10, генерирующего аэрозоль, или главного блока, и отдельного картриджа 20, которые вместе образуют систему, генерирующую аэрозоль. В этом примере система, генерирующая аэрозоль, является электроуправляемой курительной системой.
Картридж 20 содержит субстрат, образующий аэрозоль, и выполнен с возможностью помещения в полость 18 внутри устройства. Картридж 20 должен быть выполнен с возможностью замены пользователем, когда предоставленный в картридже субстрат, образующий аэрозоль, исчерпан. На фиг.1A показан картридж 20 сразу перед вставкой в устройство, при этом стрелка 1, показанная на фиг.1A, указывает на направление вставки картриджа.
Устройство 10, генерирующее аэрозоль, является портативным и имеет размер, сопоставимый с размером традиционной сигары или сигареты. Устройство 10 содержит главную часть 11 и мундштучную часть 12. Главная часть 11 содержит батарею 14, такую как литий-железо-фосфатная батарея, управляющую электронику 16 и полость 18. Мундштучная часть 12 соединена с главной частью 11 посредством шарнирного соединения 21 и может перемещаться между открытым положением, как показано на фиг.1A-1C, и закрытым положением, как показано на фиг.1D. Мундштучная часть 12 расположена в открытом положении для обеспечения возможности вставки и извлечения картриджей 20, и расположена в закрытом положении, когда система должна быть использована для генерирования аэрозоля, как будет описано. Мундштучная часть содержит множество впускных отверстий 13 для воздуха и выпускное отверстие 15. При использовании пользователь делает всасывание или затяжку со стороны выпускного отверстия для втягивания воздуха сквозь впускные отверстия 13 для воздуха через мундштучную часть в выпускное отверстие 15 и впоследствии в рот или легкие пользователя. Внутренние перегородки 17 предоставлены для того чтобы вынуждать воздух протекать через мундштучную часть 12 мимо картриджа, как будет описано.
Полость 18 имеет круглое поперечное сечение и имеет такой размер, чтобы вмещать в себя корпус 24 картриджа 20. Электрические соединители 19 предоставлены по сторонам полости 18 для обеспечения электрического соединения между управляющей электроникой 16 и батареей 14 и соответствующими электрическими контактами на картридже 20.
На фиг.1B показана система, показанная на фиг.1A, со вставленным в полость 18 картриджем и удаляемым покрытием 26. В этом положении электрические соединители находятся напротив электрических контактов на картридже, как будет описано.
На фиг.1C показана система, показанная на фиг.1B, с полностью удаленным покрытием 26 и
перемещенной в закрытое положение мундштучной частью 12.
На фиг.1D показана система, показанная на фиг.1C с находящейся в закрытом положении мундштучной частью 12. Мундштучная часть 12 удерживается в закрытом положении механизмом фиксации (не изображен). Специалисту в данной области техники будет очевидно, что могут быть использованы другие подходящие механизмы для удерживания мундштука в закрытом положении, такие как защелкивающееся соединение или магнитный затвор.
Мундштучная часть 12 в закрытом положении удерживает картридж в электрическом контакте с электрическими соединителями 19 таким образом, что при использовании поддерживается хорошее электрическое соединение независимо от ориентации системы. Мундштучная часть 12 может содержать кольцевой эластомерный элемент, который соприкасается с поверхностью картриджа и сжимается между жестким элементом корпуса мундштука и картриджем, когда мундштучная часть 12 находится в закрытом положении. Это обеспечивает поддержание хорошего электрического соединения, несмотря на допуски на изготовление.
Конечно, в качестве альтернативы или дополнения, могут быть использованы другие механизмы для поддержания хорошего электрического соединения между картриджем и устройством. Например, корпус 24 картриджа 20 может быть оснащен резьбой или канавкой (не изображены), которые входят в зацепление с соответствующими канавкой или резьбой (не изображены), выполненными в стенке полости 18. Резьбовое соединение между картриджем и устройством может быть использовано для обеспечения правильного вращательного выравнивания, а также удерживания картриджа в полости и обеспечения хорошего электрического соединения. Резьбовое соединение может распространяться только на половину оборота картриджа или менее или может распространяться на несколько оборотов. В качестве альтернативы или дополнения электрические соединители 19 могут быть смещены с вхождением в контакт с контактами на картридже.
На фиг.2 показан покомпонентный вид картриджа 20, подходящего для использования в системе, генерирующей аэрозоль, например, системе, генерирующей аэрозоль, типа, показанного на фиг.1. Картридж 20 содержит в целом круглый цилиндрический корпус 24, размер и форма которого выбраны таким образом, чтобы он помещался в соответствующую полость, например, полость 18 системы, показанной на фиг.1, или устанавливался соответствующим образом с другими элементами системы, генерирующей аэрозоль. Корпус 24 имеет открытый конец и содержит субстрат, образующий аэрозоль. В этом примере субстрат, образующий аэрозоль, является жидкостью, и корпус 24 дополнительно содержит капиллярное тело, содержащее капиллярный материал 22, который пропитан жидким субстратом, образующим аэрозоль. В этом примере субстрат, образующий аэрозоль, содержит 39 процентов по весу глицерина, 39 процентов по весу пропиленгликоля, 20 процентов по весу воды и ароматизаторов и 2 процента по весу никотина. Капиллярный материал является материалом, который активно подводит жидкость от одного конца к другому, и может быть выполнен из любого подходящего материала. В этом примере капиллярный материал выполнен из сложного полиэфира. В других примерах субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой твердое вещество.
Капиллярный материал 22 имеет пористую торцевую поверхность 32, к которой прикреплен электрический нагреватель 30. Нагреватель 30 содержит пару электрических контактов 34, прикрепленных на противоположных сторонах пористой торцевой поверхности 32, и нагревательный элемент 36, прикрепленный к торцевой поверхности 32 и к электрическим контактам 34. В этом примере нагреватель 30 содержит один нагревательный элемент 36, проходящий между электрическими контактами 34 и характеризующийся расположением в форме меандра или зигзага. Однако специалисту в данной области техники будет очевидно, что также возможны другие виды расположения нагревателя. Например, нагреватель может содержать один нагревательный элемент в форме двойной спирали, или проходящий по более сложному, извилистому пути, или проходящий по существу линейно. В равной степени нагреватель может содержать множество нагревательных элементов, например, множество по существу параллельных нагревательных элементов.
Электрические контакты 34 и нагревательный элемент 36 выполнены как единое целое из электропроводного материала, который был нанесен в виде жидкости непосредственно на пористую торцевую поверхность 32 и впоследствии высушен. Поскольку торцевая поверхность 32 является пористой, электропроводный материал рассеивается во торцевой поверхности 32 во время нанесения таким образом, что при высушивании электропроводного материала нагреватель 30 надежно прикрепляется к капиллярному материалу 22. Рассеивание электропроводного материала во торцевой поверхности 32 также увеличивает площадь контакта между нагревательным элементом 36 и капиллярным материалом 22, тем самым улучшая эффективность теплопередачи от нагревательного элемента 36 к капиллярному материалу 22.
Нагреватель 30 покрыт съемным покрытием 26. Покрытие 26 содержит непроницаемый для жидкости лист пластмассы, который наклеен на нагреватель в сборе, но который может быть легко снят. На боковой стороне покрытия 26 предоставлен выступ, чтобы предоставить пользователю возможность взяться за покрытие при его снятии. Теперь специалисту в данной области техники будет очевидно, что, несмотря на то, что приклеивание описано в качестве способа крепления непроницаемого листа пластмассы, могут быть также использованы и другие способы, известные специалистам в данной области техники, включая термосварку или ультразвуковую сварку, при условии, что покрытие 26 может быть легко удалено потребителем.
Следует понимать, что возможны и другие конструкции картриджа. Например, капиллярный материал внутри картриджа может содержать два или более отдельных капиллярных материалов, или картридж может содержать бак для хранения резервуара со свободной жидкостью.
Нити нагревателя нагревательного элемента 36 являются доступными через отверстие 35 в субстрате 34, вследствие чего испаренный субстрат, образующий аэрозоль, может выходить в поток воздуха через нагреватель в сборе.
При использовании картридж 20 размещают в системе, генерирующей аэрозоль, и нагреватель в сборе 30 приводят в контакт с источником питания, содержащимся в системе, генерирующей аэрозоль. Электронная схема предоставлена для подачи питания на нагревательный элемент 36 и для испарения субстрата, генерирующего аэрозоль. Испаренный субстрат, образующий аэрозоль, затем может выходить в поток воздуха через нагреватель 30.
На фиг.3A-3E изображены с первого по пятый примеры расположения электрического нагревателя 30. В первом примере, как показано на фиг.3A, нагреватель 30 содержит диаметрально противоположные электрические контакты 34 и один нагревательный элемент 36, присоединенный к электрическим контактам 34 и проходящий между электрическими контактами 34 по меандрирующему или зигзагообразному пути. Во втором примере, как показано на фиг.3B, нагреватель 30 содержит диаметрально противоположные электрические контакты 34 и один нагревательный элемент 36, присоединенный к электрическим контактам 34 и проходящий между электрическими контактами 34 вдоль двойного спирального пути. В третьем примере, как показано на фиг.3C, нагреватель 30 содержит диаметрально противоположные электрические контакты 34 и один нагревательный элемент 36, присоединенный к электрическим контактам 34 и проходящий между электрическими контактами 34 по извилистому пути. В четвертом примере, как показано на фиг.3D, нагреватель 30 содержит диаметрально противоположные электрические контакты 34 и множество нагревательных элементов 36, присоединенных к электрическим контактам 34 и проходящих между электрическими контактами 34 по путям, являющимися по существу параллельными. В пятом примере, как показано на фиг.3E, нагреватель 30 является по существу таким же, как и иллюстративный нагреватель согласно первому примеру, изображенный на фиг.3A, за исключением того, что площадь поперечного сечения нагревательного элемента 36 изменяется на протяжении пористой торцевой поверхности 32 для изменения профиля нагрева нагревателя 30 на протяжении пористой торцевой поверхности 32. В частности, ширина нагревательного элемента 36 уменьшается по направлению к периферии торцевой поверхности 32 и увеличивается по направлению к центру пористой торцевой поверхности 32. Это в результате приводит к снижению количества тепла, генерируемого нагревательным элементом по направлению к центру пористой торцевой поверхности 32, и увеличению количества тепла, генерируемого нагревательным элементом по направлению к периферии пористой торцевой поверхности 32, по сравнению с расположением, показанным на фиг.3A. Это позволяет электрическому нагревателю компенсировать потерю тепла с периферии торцевой поверхности, например, потерю тепла вследствие теплопроводности, и снижает температуру в центре пористой торцевой поверхности, что в результате приводит к более равномерной температуре на протяжении пористой торцевой поверхности, как указано далее в отношении фиг.4.
На фиг.4 представлен график зависимости температуры от расстояния на протяжении торцевой поверхности капиллярного тела для каждого из видов расположений, изображенных на фиг.3A и 3E. Кривой A проиллюстрирована температура для нагревателя согласно первому примеру, показанного на фиг.3A. Кривой E проиллюстрирована температура для нагревателя согласно пятому примеру, показанного на фиг.3E. Как проиллюстрировано кривой A, температура пористой торцевой поверхности при использовании нагревателя согласно первому примеру снижается по направлению к ее периферии и увеличивается по направлению к ее центру с образованием горячей точки в узкой области в центре нагревательного элемента. Как проиллюстрировано кривой E, температура пористой торцевой поверхности при использовании нагревателя согласно пятому примеру является более высокой по направлению к ее периферии, чем температура пористой торцевой поверхности при использовании первого иллюстративного нагревателя. Кроме того, температура в центре пористой торцевой поверхности при использовании нагревательного элемента согласно пятому примеру является более низкой и распространяется на протяжении более широкой области, как проиллюстрировано кривой E. Таким образом, температурный профиль на протяжении пористой торцевой поверхности является более однородным в случае нагревателя согласно пятому примеру, чем в случае нагревателя согласно первому примеру, особенно в центральной области.
Когда картридж собран, нагревательный элемент 36 находится в непосредственном контакте с капиллярным материалом 22 и, следовательно, субстрат, образующий аэрозоль, может быть подведен непосредственно в нагреватель. В примерах настоящего изобретения субстрат, образующий аэрозоль, контактирует с большей частью поверхности нагревательного элемента 36, если не со всей, вследствие чего большая часть тепла, генерируемого нагревателем в сборе, проходит непосредственно в субстрат, образующий аэрозоль. В отличие от этого, в традиционных нагревателях в сборе с фитилем и обмоткой лишь небольшая часть проволоки нагревателя находится в контакте с субстратом, образующим аэрозоль.
При использовании нагреватель в сборе предпочтительно работает за счет резистивного нагревания, однако он может также работать с использованием других подходящих способов нагревания, таких как индукционное нагревание. В случае если нагреватель в сборе работает за счет резистивного нагревания, ток проходит через нагреватель под управлением управляющей электроники 16 для нагревания нитей до температуры из необходимого диапазона. Нагревательный элемент или элементы 36 имеют более высокое электрическое сопротивление, чем электрические контакты 34, вследствие чего высокие температуры локализованы на нагревательном элементе. Система может быть выполнена с возможностью генерирования тепла посредством пропускания электрического тока по нагревателю в ответ на затяжку пользователя или может быть выполнена с возможностью непрерывного генерирования тепла, пока устройство находится во «включенном» состоянии. Различные материалы для элементов могут быть подходящими для различных систем. Например, в непрерывно нагреваемой системе подходящими являются материалы с относительно низкой удельной теплоемкостью, и при этом они являются совместимыми с нагреванием посредством малого тока. В системе, активируемой при затяжке, в которой тепло генерируется кратковременными вспышками с использованием импульсов большого тока, материалы, характеризующиеся высокой удельной теплоемкостью, могут являться более подходящими.
В системе, активируемой при затяжке, устройство может содержать датчик затяжки, выполненный с возможностью обнаружения факта втягивания пользователем воздуха через мундштучную часть. Датчик затяжки (не изображен) соединен с управляющей электроникой 16, и управляющая электроника 16 выполнена с возможностью пропускания тока по нагревателю 30 только если определено, что пользователь осуществляет затяжку с использованием устройства. Любой подходящий датчик потока воздуха может быть использован в качестве датчика затяжки, например, микрофон.
В возможном варианте осуществления изменения сопротивления по меньшей мере одного нагревательного элемента могут быть использованы для обнаружения изменения температуры. Это может быть использовано для регулирования питания, подаваемого на нагреватель, чтобы позволить ему оставаться в пределах необходимого температурного диапазона. Резкие изменения температуры могут также быть использованы в качестве показателя для обнаружения изменений потока воздуха, протекающего мимо нагревательного элемента в результате осуществления пользователем затяжек из системы. Один или более элементов могут представлять собой специализированные температурные датчики и могут быть выполнены из материала, имеющего подходящий для этой цели температурный коэффициент сопротивления, такого как сплав железа и алюминия, Ni-Cr, платина, вольфрам или сплав.
Поток воздуха через мундштучную часть при использовании системы показан на фиг.1D. Мундштучная часть содержит внутренние перегородки 17, которые сформованы как единое целое с внешними стенками мундштучной части и обеспечивают прохождение воздуха над нагревателем 30 на картридже, где испаряется субстрат, образующий аэрозоль, при втягивании воздуха из впускных отверстий 13 в выпускное отверстие 15. По мере прохождения воздуха мимо нагревателя в сборе испаренный субстрат увлекается потоком воздуха и охлаждается для образования аэрозоля перед выходом из выпускного отверстия 15.
Несмотря на то, что в описанных вариантах осуществления использованы картриджи с корпусами, имеющими по существу круглое поперечное сечение, возможным, конечно же, является формирование корпусов картриджей других форм, например, с прямоугольным поперечным сечением или треугольным поперечным сечением. Такие формы корпусов обеспечат необходимую ориентацию внутри полости соответствующей формы для обеспечения электрического соединения между устройством и картриджем.
Другие конструкции картриджей, содержащие нагреватель в сборе согласно настоящему изобретению, могут быть теперь предложены специалистом в данной области техники. Например, картридж может содержать мундштучную часть и может иметь любую желаемую форму. Кроме того, нагреватель согласно настоящему изобретению может быть использован в системах других типов, отличающихся от уже описанных, таких как увлажнители, освежители воздуха и другие системы, генерирующие аэрозоль.
Пример 1
EpoTek (RTM) H20E, электропроводный клей на основе эпоксидной смолы, содержащей серебро, доступный от компании Epoxy Technology Inc., Биллерика, Массачусетс, США, был нанесен вручную при помощи наконечника иглы на капиллярное тело, выполненное из Sterlitech GB140, капиллярного материала из стекловолокна, доступного от компании Sterlitech Corporation, Кент, Вашингтон, США, для образования нагревательного элемента и электрических контактов нагревателя. Для испытания нагревателя был использован программируемый источник питания Agilent N6705B для проведения электрического тока через нагреватель в течение 3 секунд. Ток был пропущен при напряжении 3,55 В и с мощностью 4,3 Вт. Инфракрасная камера была использована для записи температуры торцевой поверхности капиллярного тела во время испытания.
Пример 2
EpoTek (RTM) H20E, электропроводный клей на основе эпоксидной смолы, содержащей серебро, доступный от компании Epoxy Technology Inc., Биллерика, Монтана, США, был нанесен вручную при помощи наконечника иглы на капиллярное тело, выполненное из пористого керамического капиллярного материала, характеризующегося размером пор, составляющим 20 микронов и пористостью, составляющей 40-45 процентов, для образования нагревательного элемента и электрических контактов нагревателя. Для испытания нагревателя был использован программируемый источник питания Agilent N6705B для проведения электрического тока через нагреватель в течение 3 секунд. Ток был пропущен при напряжении 3,55 В и с мощностью 4,3 Вт. Измеренное сопротивление нагревателя составило 2,3 Ом. Инфракрасную камеру использовали для записи температуры торцевой поверхности капиллярного тела во время испытания, максимальное значение которой, как было обнаружено, составило 185 градусов Цельсия.
Вышеописанные приведенные в качестве примера варианты осуществления являются иллюстративными, а не ограничительными. В свете описанных выше приведенных в качестве примера вариантов осуществления специалисту в данной области техники будут теперь понятны и другие варианты осуществления, соответствующие вышеописанным приведенным в качестве примера вариантам осуществления.