НАГРЕВАТЕЛЬ В СБОРЕ ДЛЯ ГЕНЕРИРУЮЩЕЙ АЭРОЗОЛЬ СИСТЕМЫ, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОГО НАГРЕВАТЕЛЯ, КАРТРИДЖ ДЛЯ ГЕНЕРИРУЮЩЕЙ АЭРОЗОЛЬ СИСТЕМЫ И ГЕНЕРИРУЮЩАЯ АЭРОЗОЛЬ СИСТЕМА
HEATER ASSEMBLY FOR AEROSOL GENERATING SYSTEM, METHOD FOR MANUFACTURE OF SUCH A HEATER, CARTRIDGE FOR AEROSOL GENERATING SYSTEM AND AEROSOL GENERATING SYSTEM

Настоящее изобретение относится к нагревателю в сборе для генерирующей аэрозоль системы и к способу изготовления нагревателя в сборе для генерирующей аэрозоль системы. В частности, настоящее изобретение относится к удерживаемым рукой генерирующим аэрозоль системам, которые испаряют жидкий образующий аэрозоль субстрат путем нагрева для генерирования аэрозоля для вдыхания пользователем.
Известны удерживаемые рукой электрические генерирующие аэрозоль системы, которые состоят из части в виде устройства, содержащей батарею и электронную схему управления, части в виде картриджа, содержащей запас жидкого образующего аэрозоль субстрата, удерживаемого в части для хранения жидкости, и электрический нагреватель в сборе, действующий как испаритель. Картридж, содержащий как источник образующего аэрозоль субстрата, удерживаемого в части для хранения жидкости, так и испаритель, иногда называют «картомайзером». Испаритель обычно содержит катушку из нагревательной, проволоки, намотанную на удлиненный фитиль, пропитанный жидким образующим аэрозоль субстратом. Капиллярный материал, пропитанный образующим аэрозоль субстратом, подает жидкость к фитилю. Часть в виде картриджа обычно содержит не только запас образующего аэрозоль субстрата и электрический нагреватель в сборе, но также и мундштук, через который пользователь может втягивать аэрозоль в свой рот.
US 2015/136156 А1 описывает электронную сигарету, содержащую источник питания, элемент для хранения жидкости, хранящий «жидкий дым», атомайзерный блок, соединенный с источником питания для распыления жидкого дыма, и контроллер, соединенный с источником питания и атомайзерным узлом для управления атомайзерным блоком для запуска или остановки нагрева. Атомайзерный узел содержит аккумулирующий масло элемент для поглощения жидкого дыма и электрический нагревательный элемент, прикрепленный к аккумулирующему масло элементу. Электрический нагревательный элемент имеет множество сквозных отверстий.
Обычно желательно обеспечить, чтобы в капиллярном материале присутствовало минимальное количество жидкого образующего аэрозоль субстрата, во избежание ситуации «сухого нагрева», т.е. ситуации, при которой проницаемый для текучей среды нагревательный элемент нагревается при недостаточном количестве жидкого образующего аэрозоль субстрата. Эта ситуация также известна как «сухая затяжка», и она может приводить к перегреву и, потенциально, к термическому разложению жидкого образующего аэрозоль субстрата, вследствие чего могут образовываться нежелательные побочные продукты, такие как формальдегид.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложен нагреватель в сборе для генерирующей аэрозоль системы, содержащий: проницаемый для текучей среды нагревательный элемент, выполненный с возможностью испарения жидкого образующего аэрозоль субстрата; переносящий материал, выполненный с возможностью переноса жидкого образующего аэрозоль субстрата к проницаемому для текучей среды нагревательному элементу и имеющий толщину, образованную между первой поверхностью переносящего материала и противоположной второй поверхностью переносящего материала, причем указанная первая поверхность расположена с обеспечением сообщения по текучей среде с проницаемым для текучей среды нагревательным элементом, а указанная вторая поверхность переносящего материала выполнена с возможностью приема жидкого образующего аэрозоль субстрата и оснащена по меньшей мере одним отверстием, которое проходит в переносящий материал на глубину, соответствующую по меньшей мере части толщины переносящего материала, с образованием канала текучей среды для жидкого образующего аэрозоль субстрата.
Во время изготовления переносящий материал располагают с обеспечением сообщения по текучей среде с проницаемым для текучей среды нагревательным элементом. Переносящий материал может быть расположен внутри кожуха или держателя нагревателя, которые могут содержать участок части в виде картриджа, и обычно содержит пористый или проницаемый для текучей среды материал, имеющий сеть мелких пор или микроканалов, через которые переносится или проникает жидкий образующий аэрозоль субстрат. Размеры переносящего материала обычно немного больше, чем внутренние размеры держателя нагревателя, с целью обеспечения плотной посадки между держателем нагревателя и переносящим материалом, что способствует уменьшению вероятности утечек по окружности кромок переносящего материала. В результате, во время вставки переносящий материал сжимается перпендикулярно направлению толщины переносящего материала в направлении центра переносящего материала, что может вызвать закрытие или по меньшей мере уменьшение пропорциональной доли пор или микроканалов переносящего материала. Следовательно, перенос жидкого образующего аэрозоль субстрата через переносящий материал может быть прерван или уменьшен, что может приводить к недостаточному количеству жидкого образующего аэрозоль субстрата на проницаемом для текучей среды нагревательном элементе и к сухой затяжке.
В первом аспекте настоящего изобретения, описанном выше, в переносящем материале обеспечено по меньшей мере одно отверстие, которое образует сформированный канал текучей среды для жидкого образующего аэрозоль субстрата. Указанное по меньшей мере одно отверстие остается открытым даже в случае сжатия переносящего материала при его вставке в кожух, так что обеспечивается возможность свободного поступления жидкого образующего аэрозоль субстрата в указанное отверстие. Указанное по меньшей мере одно отверстие проходит в переносящий материал до глубины, соответствующей по меньшей мере части толщины материала, так что толщина переносящего материала и, следовательно, сопротивление потоку текучей среды уменьшены в области указанного отверстия. Это способствует тому, чтобы жидкий образующий аэрозоль субстрат достигал проницаемого для текучей среды нагревательного элемента, и снижает вероятность сухих затяжек и образования формальдегида. Заявителем было выяснено, что заявленный узел обеспечивает возможность уменьшения образования формальдегида на 90% по сравнению с нагревателями в сборе, которые не имеют отверстия, обеспеченного в переносящем материале.
В контексте данного документа термин «сформированный канал текучей среды» относится к каналу текучей среды, который обеспечен в переносящем материале, т.е. к указанному по меньшей мере одному отверстию, и отличается от пор или микроканалов, относящихся к переносящему материалу, своими свойствами пористости или проницаемости для текучей среды. Иначе говоря, сформированный канал текучей среды отличается от пор или микроканалов, которые являются внутренними для переносящего материала. Кроме того, не требуется, чтобы сформированный канал текучей среды проходил по всей толщине переносящего материала. Сформированный канал текучей среды должен проходить лишь на расстояние, достаточное для того, чтобы жидкий образующий аэрозоль субстрат имел возможность поступления в указанный канал.
Переносящий материал может находиться в контакте с проницаемым для текучей среды нагревательным элементом. Это способствует переносу жидкого образующего аэрозоль субстрата из переносящего материала к нагревательному элементу. В качестве альтернативы, между переносящим материалом и проницаемым для текучей среды нагревательным элементом может присутствовать промежуточный слой, способствующий обеспечению сообщения по текучей среде между переносящим материалом и проницаемым для текучей среды нагревательным элементом.
Проницаемый для текучей среды нагревательный элемент может быть по существу плоским, и он может содержать электропроводные нити. Это исключает необходимость в намотке катушки нагревательного провода вокруг капиллярного фитиля. Электропроводные нити могут лежать в одной плоскости. Планарный нагревательный элемент обеспечивает возможность легкого манипулирования им в процессе изготовления и обеспечивает прочную конструкцию. В других вариантах осуществления по существу плоский нагревательный элемент может быть изогнут вдоль одного или более размеров, например, с образованием куполообразной формы или мостовой формы.
Электропроводные нити могут образовывать промежутки между нитями, ширина которых может составлять от 10 мкм до 100 мкм. Указанные нити могут создавать капиллярное действие в указанных промежутках, так что при использовании жидкость, подлежащая испарению, втягивается в указанные промежутки, увеличивая площадь контакта между нагревательным элементом и жидкостью.
Электропроводные нити могут образовывать сетку с размером от 160 до 600 меш по стандарту США (+/- 10%) (т. е. от 160 до 600 нитей на дюйм (+/- 10%)). Ширина указанных промежутков предпочтительно составляет от 75 мкм до 25 мкм. Процентная доля открытой площади сетки, представляющая собой отношение площади промежутков к общей площади сетки, предпочтительно составляет от 25 до 56%. Сетка может быть выполнена с использованием разных типов плетеных или решетчатых структур. В качестве альтернативы, электропроводные нити состоят из матрицы нитей, расположенных параллельно друг другу.
Электропроводные нити могут иметь диаметр от 10 мкм до 100 мкм, предпочтительно от 8 мкм до 50 мкм, и более предпочтительно от 8 мкм до 39 мкм. Нити могут иметь круглое поперечное сечение, или они могут иметь сплющенное поперечное сечение. Нагревательные нити могут быть выполнены путем травления листового материала, такого как фольга. Это может быть особенно предпочтительным, если нагреватель в сборе содержит матрицу из параллельных нитей. Если нагреватель в сборе содержит сетку или тканое полотно из нитей, то эти нити могут быть выполнены по отдельности и переплетены вместе.
Площадь проницаемого для текучей среды нагревательного элемента может быть небольшой, например, меньшей или равной 50 квадратным миллиметрам, предпочтительно меньшей или равной 25 квадратным миллиметрам, более предпочтительно составлять приблизительно 15 квадратных миллиметров. Размер выбирают таким образом, чтобы включить нагревательный элемент в удерживаемую рукой систему. Благодаря выполнению нагревательного элемента с размером, меньшим или равным приблизительно 50 квадратным миллиметрам, уменьшается общее количество мощности, необходимой для нагрева нагревательного элемента, и при этом по-прежнему обеспечивается достаточный контакт нагревательного элемента с жидким образующим аэрозоль субстратом. Нагревательный элемент может быть, например, прямоугольным и иметь длину от 2 миллиметров до 10 миллиметров и ширину от 2 миллиметров до 10 миллиметров. Предпочтительно, сетка имеет размеры приблизительно 5 миллиметров на 3 миллиметра.
Нити нагревательного элемента могут быть выполнены из любого материала с подходящими электрическими свойствами. Подходящие материалы включают, без ограничения: полупроводники, такие как легированная керамика, электрически «проводящая» керамика (такая как, например, дисилицид молибдена), углерод, графит, металлы, сплавы металлов и композитные материалы, изготовленные из керамического материала и металлического материала. Такие композитные материалы могут содержать легированную или нелегированную керамику. Примеры подходящей легированной керамики включают легированные карбиды кремния. Примеры подходящих металлов включают титан, цирконий, тантал и металлы из платиновой группы.
Примеры подходящих металлических сплавов включают нержавеющую сталь, константан, никель-, кобальт-, хром-, алюминий-, титан-, цирконий-, гафний-, ниобий-, молибден-, тантал-, вольфрам-, олово-, галлий-, марганец- и железосодержащие сплавы, а также суперсплавы на основе никеля, железа, кобальта, нержавеющей стали, Timetal, сплавы на основе железа и алюминия, а также сплавы на основе железа, марганца и алюминия. Timetal представляет собой зарегистрированную торговую марку компании Titanium Metals Corporation. Нити могут быть покрыты одним или более изоляционными материалами. Предпочтительными материалами для электропроводных нитей являются нержавеющая сталь и графит, более предпочтительно нержавеющая сталь марок серии 300, таких как AISI 304, 316, 304L, 316L. В дополнение, электропроводный нагревательный элемент может содержать комбинации вышеописанных материалов. Комбинация материалов может использоваться для улучшения регулирования сопротивления проницаемого для текучей среды нагревательного элемента. Например, материалы с высоким собственным сопротивлением могут комбинироваться с материалами с низким собственным сопротивлением. Это может обеспечить преимущество, если один из материалов является более предпочтительным по другим показателям, например стоимости, обрабатываемости или другим физическим и химическим параметрам. По существу, плоская компоновка нитей с повышенным сопротивлением обеспечивает преимущество, состоящее в снижении паразитных потерь. Нагреватели с высоким удельным сопротивлением обеспечивают преимущество, состоящее в возможности более эффективного использования энергии батареи.
Предпочтительно, нити изготовлены из проволоки. Более предпочтительно, проволока изготовлена из металла, наиболее предпочтительно из нержавеющей стали.
Электрическое сопротивление сетки, матрицы или тканого полотна из электропроводных нитей в нагревательном элементе может составлять от 0,3 Ом до 4 Ом. Предпочтительно, электрическое сопротивление равно или выше 0,5 Ом. Более предпочтительно, электрическое сопротивление сетки, матрицы или тканого полотна из электропроводных нитей составляет от 0,6 Ом до 0,8 Ом, наиболее предпочтительно приблизительно 0,68 Ом. Электрическое сопротивление сетки, матрицы или тканого полотна из электропроводных нитей предпочтительно по меньшей мере на порядок и более, предпочтительно по меньшей мере на два порядка выше чем электрическое сопротивление электропроводных контактных участков. Это обеспечивает локализацию тепла, генерируемого в результате пропускания тока через нагревательный элемент, на сетке или матрице из электропроводных нитей. Предпочтительно, чтобы нагревательный элемент имел низкое общее сопротивление, если система получает питание от батареи. Система с низким сопротивлением и высоким током обеспечивает возможность доставки высокой мощности на нагревательный элемент. Это обеспечивает возможность быстрого нагрева нагревательным элементом электропроводных нитей до необходимой температуры.
Глубина указанного по меньшей мере одного отверстия может составлять более половины толщины переносящего материала. Это означает, что жидкий образующий аэрозоль субстрат должен проходить через менее чем половину толщины переносящего материала в области указанного по меньшей мере одного отверстия, что способствует переносу жидкого образующего аэрозоль субстрата к проницаемому для текучей среды нагревательному элементу в области указанного по меньшей мере одного отверстия.
Указанное по меньшей мере одно отверстие может быть выполнено в центральной области переносящего материала. Предпочтительно, указанное по меньшей мере одно отверстие может быть выполнено в центре или центроиде второй поверхности переносящего материала. При вставке переносящего материала в кожух сжатие имеет тенденцию к достижению наибольшей величины в направлении центра переносящего материала. Следовательно, благодаря расположению указанного по меньшей мере одного отверстия в центральной области переносящего материала, обеспечивается сформированный канал текучей среды в том месте, где он требуется в наибольшей степени, и обеспечивается содействие переносу жидкого генерирующего аэрозоль субстрата в центральную область переносящего материала.
Входной диаметр указанного по меньшей мере одного отверстия на второй поверхности переносящего материала может составлять от 0,5 мм до 2,5 мм, более конкретно от 0,8 мм до 2 мм, и еще более конкретно 1,3 мм. Было выяснено, что такие размеры отверстия пригодны для переноса жидкого образующего аэрозоль субстрата, который втягивается в указанное отверстие за счет впитывания, т.е. капиллярного действия. Кроме того, было выяснено, что при данных размерах отверстия оно остается открытым, т.е. принудительно не закрывается при вставке переносящего материала в кожух.
Указанное по меньшей мере одно отверстие может сужаться на конус в направлении первой поверхности переносящего материала. Было выяснено, что абсорбция жидкости за счет впитывания в сходящиеся каналы является более быстрой по сравнению с цилиндрическими каналами или расходящимися каналами. Кроме того, стенки конического отверстия не обязательно должны быть прямыми, но могут быть и изогнутыми. Было выяснено, что изогнутые стенки, в частности те, которые изогнуты внутрь, т. е. стенки, являющиеся выпуклыми, дополнительно повышают скорость, с которой происходит абсорбция жидкости, поскольку они увеличивают площадь поверхности стенок указанного канала, с которой взаимодействует поверхностное натяжение жидкости. Степень кривизны будет зависеть от свойств жидкости, в частности от ее поверхностного натяжения.
Указанное по меньшей мере одно отверстие может проходить через всю толщину переносящего материала для обеспечения сквозного отверстия в переносящем материале. Такая компоновка обеспечивает сформированный канал текучей среды, который проходит через весь переносящий материал и через который обеспечивается возможность переноса образующая аэрозоль жидкости.
Выходной диаметр указанного по меньшей мере одного отверстия на первой поверхности переносящего материала может составлять от 0,2 мм до 0,4 мм, более конкретно от 0,28 мм до 0,32 мм, и еще более конкретно 0,3 мм. Было выяснено, что данные диапазоны выходного диаметра являются подходящими размерами для переноса жидкого образующего аэрозоль субстрата к проницаемому для текучей среды нагревательному элементу.
Первая поверхность переносящего материала может быть выпуклой, в частности иметь выпуклую куполообразную форму. Эта форма может быть добавлена к первой поверхности, или она может представлять собой побочный результат изготовления переносящего материала по меньшей мере c одним отверстием, например, путем пробивки и перфорирования. Как описано выше, первая поверхность переносящего материала расположена с обеспечением сообщения по текучей среде с проницаемым для текучей среды нагревательным элементом, так что выпуклая поверхность будет ориентирована в направлении нагревательного элемента. Нагревательный элемент может иметь остаточную изогнутую форму в результате некоторых процессов изготовления, и, следовательно, выпуклая первая поверхность будет лучше соответствовать форме нагревательного элемента. Таким образом обеспечивается возможность улучшения переноса жидкого генерирующего аэрозоль субстрата к нагревательному элементу, в частности, в тех конфигурациях, в которых переносящий материал находится в контакте с проницаемым для текучей среды нагревательным элементом.
Переносящий материал может содержать диск. Было выяснено, что диск представляет особенно удобную форму, поскольку его легко изготавливать путем пробивки и устанавливать в трубчатых кожухах. Однако следует понимать, что переносящий материал может быть выполнен с другими подходящими формами, такими как квадратная, прямоугольная или овальная, или другая криволинейная или многоугольная форма, или неправильная форма. Толщина переносящего материала может быть меньше, чем длина, или ширина, или диаметр переносящего материала. Отношение длины, или ширины, или диаметра переносящего материала к толщине переносящего материала может составлять более чем 3:1.
Переносящий материал может содержать капиллярный материал. Капиллярный материал представляет собой материал, который переносит жидкость через материал за счет капиллярного действия. Переносящий материал может иметь волокнистую или пористую структуру. Переносящий материал предпочтительно содержит пучок капилляров. Например, капиллярный материал может содержать множество волокон или нитей или других трубок с узкими каналами. Переносящий материал может быть выполнен с возможностью переноса жидкости, главным образом, в направлении, проходящем перпендикулярно или по нормали к направлению толщины переносящего материала.
Капиллярный материал может предпочтительно содержать удлиненные волокна, так что капиллярное действие возникает в мелких пустотах или микроканалах между волокнами. Среднее направление удлиненных волокон может представлять собой направление, по существу параллельное первой и второй поверхностям, и указанное по меньшей мере одно отверстие может проходить в направлении, по существу перпендикулярном указанному среднему направлению удлиненных волокон. Такое расположение удлиненных волокон означает, что капиллярное действие имеет место, главным образом, по существу параллельно первой и второй поверхностям, так что жидкий образующий аэрозоль субстрат распространяется по переносящему материалу и проницаемому для текучей среды нагревательному элементу. Следовательно, перенос жидкого образующего аэрозоль субстрата через толщину переносящего материала является сравнительно незначительным. Однако обеспечение указанного по меньшей мере одного отверстия таким образом, что оно проходит в направлении, по существу перпендикулярном среднему направлению удлиненных волокон, означает, что сформированный канал текучей среды проходит по меньшей мере частично через толщину переносящего материала и способствует переносу текучей среды через толщину несущего материала к проницаемому для текучей среды нагревательному элементу.
Переносящий материал может содержать теплостойкий материал, имеющий температуру термического разложения по меньшей мере 160 градусов по Цельсию или выше, например приблизительно 250 градусов по Цельсию. Транспортный материал может содержать волокна или нити из хлопка или обработанного хлопка, например, ацетилированный хлопок. Могут также использоваться другие подходящие материалы, например волоконные материалы на основе керамики или графита, изготовленные из крученых, вытянутых или экструдированных волокон, такие как стекловолокно, ацетилцеллюлоза или любой подходящий теплостойкий полимер. Каждое из волокон переносящего материала может иметь толщину от 10 мкм до 40 мкм, более конкретно от 15 мкм до 30 мкм. Переносящий материал может иметь любые подходящие капиллярность и пористость с тем, чтобы использовать его с жидкостями, имеющими разные физические свойства. Жидкий образующий аэрозоль субстрат имеет такие физические свойства, включая, но без ограничения, вязкость, поверхностное натяжение, плотность, теплопроводность, температуру кипения и давление пара, которые обеспечивают возможность переноса жидкого образующего аэрозоль субстрата через переносящий материал за счет капиллярного действия.
Переносящий материал может быть оснащен множеством отверстий. Благодаря обеспечению более чем одного отверстия, создаются дополнительные сформированные каналы текучей среды, что обеспечивает возможность увеличения переноса жидкого генерирующего аэрозоль субстрата через толщину переносящего материала. Указанное множество отверстий могут быть выполнены в переносящем материале и проходить внутрь него со стороны второй поверхности. В качестве альтернативы, первое отверстие может быть выполнено в переносящем материале и проходить внутрь него со стороны второй поверхности, а второе отверстие может быть выполнено в переносящем материале и проходить внутрь него со стороны первой поверхности. Первое и второе отверстия могут быть соединены таким образом, чтобы было создано сквозное отверстие в переносящем материале. В качестве альтернативы, первое и второе отверстия могут быть разнесены в направлении, параллельном первой и второй поверхностям, так что эти отверстия не соединены. Тем не менее, обеспечивается возможность прохождения текучей среды между первым и вторым отверстиями за счет капиллярного действия.
Нагреватель в сборе может дополнительно содержать держатель нагревателя для установки переносящего материала и проницаемого для текучей среды нагревательного элемента. В дополнение, нагреватель в сборе может дополнительно содержать удерживающий материал для удержания и переноса жидкого образующего аэрозоль субстрата к переносящему материалу. Удерживающий материал также может содержать капиллярный материал, имеющий волокнистую или пористую структуру, которая образует множество мелких проходов или микроканалов, через которые обеспечивается возможность переноса жидкого образующего аэрозоль субстрата за счет капиллярного действия. Удерживающий материал может содержать пучок капилляров, например множество волокон или нитей иди других трубок с узкими каналом. Волокна или нити могут быть в целом выровнены для переноса жидкого образующего аэрозоль субстрата в направлении переносящего материала. В качестве альтернативы, удерживающий материал может содержать губкообразный или пенообразный материал. Удерживающий материал может содержать любой подходящий материал или комбинацию материалов. Примерами подходящих материалов являются губчатый или вспененный материал, материалы на основе керамики или графита в виде волокон или спеченных порошков, вспененный металлический или пластмассовый материал, волокнистый материал, выполненный, например, из крученых или экструдированных волокон, таких как ацетилцеллюлозные, сложнополиэфирные или связанные полиолефиновые, полиэтиленовые, териленовые или полипропиленовые волокна, нейлоновые волокна или керамика. Удерживающий материал может содержать полиэтилен высокой плотности (HDPE) или полиэтилентерефталат (PET). Удерживающий материал может иметь более высокую капиллярность по сравнению с переносящим материалом с тем, чтобы удерживать больше жидкости на единицу объема, чем переносящий материал. Кроме того, переносящий материал может иметь более высокую температуру термического разложения, чем удерживающий материал.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложен способ изготовления нагревателя в сборе для генерирующей аэрозоль системы, включающий этапы, на которых: обеспечивают проницаемый для текучей среды нагревательный элемент; обеспечивают переносящий материал, имеющий толщину, образованную между первой поверхностью переносящего материала и противоположной второй поверхностью переносящего материала; выполняют во второй поверхности переносящего материала по меньшей мере одно отверстие, проходящее в переносящий материал на глубину, соответствующую по меньшей мере части толщины переносящего материала; и располагают первую поверхность переносящего материала с обеспечением сообщения по текучей среде с проницаемым для текучей среды нагревательным элементом.
Переносящий материал может быть выполнен путем вырезания диска из части переносящего материала с помощью пуансона. Пробивка представляет собой подходящий процесс изготовления, который сам по себе пригоден для массового производства. Кроме того, вырубающее действие может способствовать приданию выпуклой формы первой поверхности переносящего материала.
Режущий конец пуансона может содержать конический перфорирующий элемент для выполнения указанного по меньшей мере одного отверстия. Было выяснено, что конический перфорирующий элемент представляет собой подходящий инструмент для выполнения отверстия, а коническая форма обеспечивает возможность содействия приданию конической формы указанному отверстию. Однако специалистам должно быть очевидно, что могут использоваться и перфорирующие элементы другой формы, в зависимости от требуемой формы отверстия. Кроме того, для выполнения указанного отверстия могут использоваться другие технологии, например формование, сверление, пробивка и лазерное сверление. Благодаря объединению пуансона и перфорирующего элемента, обеспечивается возможность осуществления этапа выполнения указанного по меньшей мере одного отверстия во время этапа вырезания диска из переносящего материала, что повышает эффективность изготовления.
Конический проникающий элемент может иметь диаметр в ее самом широком участке от 0,5 до 2,5 мм, более конкретно от 0,8 до 2 мм, и еще более конкретно 1,3 мм. Было выяснено, что данный диапазон размеров является подходящим диапазоном диаметра для выполнения указанного по меньшей мере одного отверстия.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, предложен картридж для генерирующей аэрозоль системы, содержащий: нагреватель в сборе по первому аспекту, описанному выше; и отделение для хранения жидкости или часть для хранения жидкого образующего аэрозоль субстрата.
Картридж может дополнительно содержать крышку или фиксатор для удержания компонентов нагревателя в сборе и жидкого генерирующего аэрозоль субстрата.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, предложена генерирующая аэрозоль система, содержащая часть в виде основного корпуса и картридж по третьему аспекту, описанному выше, съемно соединенный с частью в виде основного корпуса.
Признаки, описанные в отношении одного аспекта, могут быть в равной степени применимы к другим аспектам настоящего изобретения.
Варианты осуществления настоящего изобретения далее будут описаны исключительно на примерах со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
на Фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация генерирующей аэрозоль системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 2 представлена схематическая иллюстрация в разрезе картриджа, содержащего мундштук, согласно настоящему изобретению;
на Фиг. 3 показан держатель нагревателя по Фиг. 2;
на Фиг. 4 представлена иллюстрация в разрезе переносящего материала по Фиг. 2 и 3, показывающая увеличенную область ее внутренней структуры;
на Фиг. 5-8 представлены иллюстрации в разрезе переносящих материалов согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения; и
на Фиг. 9 представлена иллюстрация в разрезе пуансонного инструмента, используемого для изготовления переносящего материала согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация генерирующей аэрозоль системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Система содержит два основных компонента: картридж 100 и часть 200 в виде основного корпуса. Соединительный конец 115 картриджа 100 съемно соединен с соответствующим соединительным концом 205 части 200 в виде основного корпуса. Часть 200 в виде основного корпуса содержит батарею 210, которая в данном примере представляет собой перезаряжаемую литий-ионную батарею, и схему 220 управления. Генерирующая аэрозоль система является портативной и имеет размер, сопоставимый с размером обычной сигары или сигареты. Мундштук расположен на конце картриджа 100, противоположном соединительному концу 115.
Картридж 100 содержит кожух 105, заключающий в себе нагреватель в сборе 120 и отделение для хранения жидкости, имеющее первую часть 130 и вторую часть 135. В отделении для хранения жидкости удерживается жидкий образующий аэрозоль субстрат. Хотя на Фиг. 1 это не показано, первая часть 130 отделения для хранения жидкости соединена со второй частью 135 отделения для хранения жидкости, так что обеспечивается возможность прохождения жидкости, находящейся в первой части 130, во вторую часть 135. Нагреватель в сборе 120 принимает жидкость из второй части 135 отделения для хранения жидкости. В данном варианте осуществления нагреватель в сборе 120 содержит проницаемый для жидкости нагревательный элемент.
От впускного отверстия 150 для воздуха, выполненного в боковой стороне кожуха 105, мимо нагревателя в сборе 120 и от нагревателя в сборе 120 до мундштучного отверстия 110, выполненного в кожухе 105 на конце картриджа 100, противоположном соединительному концу 115, проходит тракт 140, 145 потока воздуха.
Компоненты картриджа 100 расположены таким образом, что первая часть 130 отделения для хранения жидкости находится между нагревателем в сборе 120 и мундштучным отверстием 110, а вторая часть 135 отделения для хранения жидкости находится с противоположной стороны от нагревателя в сборе 120 относительно мундштучного отверстия 110. Иначе говоря, нагреватель в сборе 120 находится между двумя частями 130, 135 отделения для хранения жидкости и принимает жидкость из второй части 135. Первая часть 130 отделения для хранения жидкости расположена ближе к мундштучному отверстию 110, чем вторая часть 135 отделения для хранения жидкости. Тракт 140, 145 потока воздуха проходит мимо нагревателя в сборе 120 между первой 130 и второй 135 частями отделения для хранения жидкости.
Система выполнена таким образом, что пользователь имеет возможность осуществления затяжек или всасывания на мундштучном отверстии 110 картриджа для втягивания аэрозоля в свой рот. При использовании, когда пользователь осуществляет затяжки на мундштучном отверстии 110, воздух втягивается через тракт 140, 145 потока воздуха от впускного отверстия 150 для воздуха мимо нагревателя в сборе 120 к мундштучному отверстию 110. Схема 220 управления управляет подачей электрической мощности от батареи 210 на картридж 100 при активации системы. Это, в свою очередь, регулирует количество и свойства пара, создаваемого нагревателем в сборе 120. Схема 220 управления может содержать датчик потока воздуха (не показан), и схема 220 управления может подавать электрическую мощность на нагреватель в сборе 120 при обнаружении затяжек, осуществляемых пользователем на картридже 100, с помощью указанного датчика потока воздуха. Данный тип управляющей компоновки является общепринятым в генерирующих аэрозоль системах, таких как ингаляторы и электронные сигареты. Таким образом, при осуществлении пользователем затяжки через отверстие 110 на мундштучном конце картриджа 100, происходит активация узла 120 распыления, и он генерирует пар, захватываемый потоком воздуха, проходящим через канал 140 для потока воздуха. Пар охлаждается внутри потока воздуха в тракте 145 с образованием аэрозоля, который затем втягивается в рот пользователя через мундштучное отверстие 110.
При использовании мундштучное отверстие 110 обычно является самой высокой точкой системы. Конструкция картриджа 100, и, в частности, расположение нагревателя в сборе 120 между первой и второй частями 130, 135 отделения для хранения жидкости, обеспечивает преимущество, поскольку в ней используется сила тяжести для обеспечения доставки жидкого субстрата к нагревателю в сборе 120 даже тогда, когда отделение для хранения жидкости становится пустым, но при этом предотвращается избыточная подача жидкости к нагревателю в сборе 120, что могло бы привести к утечке жидкости в тракт 140 потока воздуха.
На Фиг. 2 представлен схематический вид в разрезе картриджа 100 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Картридж 100 содержит внешний кожух 105, имеющий мундштук с мундштучным отверстием 110 и соединительный конец 115, противоположный мундштуку. Внутри кожуха 105 расположено отделение для хранения жидкости, удерживающее жидкий образующий аэрозоль субстрат 131. Отделение для хранения жидкости имеет первую часть 130 и вторую часть 135, и жидкость удерживается в отделении для хранения жидкости посредством трех дополнительных компонентов: верхнего кожуха 137 отделения для хранения жидкости, держателя 134 нагревателя и торцевой крышки 138. Нагреватель в сборе 120, содержащий проницаемый для текучей среды нагревательный элемент 122 и переносящий материал 124, удерживается в держателе 134 нагревателя. Во второй части 135 отделения для хранения жидкости размещен удерживающий материал 136, упирающийся в переносящий материал 124 нагревателя в сборе 120. Удерживающий материал 136 выполнен с возможностью переноса жидкости к переносящему материалу 124 нагревателя в сборе 120.
Первая часть 130 отделения для хранения жидкости больше по размеру, чем вторая часть 135 отделения для хранения жидкости, и занимает пространство между нагревателем в сборе 120 и мундштучным отверстием 110 картриджа 100. Жидкость в первой части 130 отделения для хранения жидкости может перемещаться во вторую часть 135 отделения для хранения жидкости через жидкостные каналы 133 с обеих сторон нагревателя в сборе 120. В данном примере предусмотрены два канала для обеспечения симметричной конструкции, хотя лишь один канал является необходимым. Каналы представляют собой закрытые тракты для потока жидкости, образованные между верхним кожухом 137 отделения для хранения и держателем 134 нагревателя.
Проницаемый для текучей среды нагревательный элемент 122 является в целом планарным и расположен со стороны нагревателя в сборе 120, обращенной к первой части 130 отделения для хранения жидкости и мундштучному отверстию 110. Переносящий материал 124 расположен между проницаемым для текучей среды нагревательным элементом 122 и удерживающим материалом 136. Первая поверхность переносящего материала 124 находится в контакте с проницаемым для текучей среды нагревательным элементом 122, а вторая поверхность переносящего материала находится в контакте с удерживающим материалом 136 и жидкостью 131 в отделении для хранения. Вторая поверхность переносящего материала 124 обращена к соединительному концу 115 картриджа 100. Нагреватель в сборе 120 расположен ближе к соединительному концу 115, так что обеспечивается возможность простого и надежного выполнения электрического соединения нагревателя в сборе 120 с источником питания.
Между первой и второй частями отделения для хранения проходит тракт 140 потока воздуха. Нижняя стенка тракта 140 потока воздуха содержит проницаемый для текучей среды нагревательный элемент 122. Боковые стенки тракта 140 потока воздуха содержат участки держателя 134 нагревателя, и верхняя стенка тракта потока воздуха содержит поверхность верхнего кожуха 137 отделения для хранения. Тракт потока воздуха имеет вертикальный участок (не показан), который проходит через первую часть 130 отделения для хранения жидкости в направлении мундштучного отверстия 110.
Следует понимать, что компоновка по Фиг. 2 является лишь одним из примеров картриджа для генерирующей аэрозоль системы. Возможны и другие компоновки. Например, проницаемый для текучей среды нагревательный элемент, переносящий материал и удерживающий материал могут быть расположены на одном конце кожуха картриджа, в то время как отделение для хранения жидкости расположено на другом конце.
На Фиг. 3 представлена иллюстрация в разрезе держателя 134 нагревателя по Фиг. 2, показывающая его признаки более подробно. Переносящий материал 124 и часть удерживающего материала 136 расположены внутри трубчатой выемки 132, выполненной в держателе 134 нагревателя. Проницаемый для текучей среды нагревательный элемент 122 проходит поперек трубчатой выемки 132. Первая поверхность 124a переносящего материала 124 находится в контакте с нижней стороной проницаемого для текучей среды нагревательного элемента 122, так что обеспечивается сообщение по текучей среде между переносящим материалом 124 и нагревательным элементом 122 для жидкого генерирующего аэрозоль субстрата. Первая часть удерживающего материала 136 расположена внутри трубчатой выемки 132 и упирается во вторую поверхность 124b переносящего материала 124, так что переносящий материал 124 имеет возможность приема жидкого генерирующего аэрозоль субстрата из удерживающего материала 136. Вторая часть удерживающего материала 136 проходит за пределы трубчатой выемки 132 и сообщается по текучей среде с жидкостными каналами 133, так что вторая часть удерживающего материала 136 имеет возможность приема жидкого генерирующего аэрозоль субстрата из жидкостных каналов 133. Вторая часть удерживающего материала 136 упирается в торцевую крышку 138, которая герметизирует нижний конец держателя 134 нагревателя. Держатель 134 нагревателя выполнен путем литья под давлением из конструкционного полимера, такого как полиэфирэфиркетон (PEEK) или LCP (жидкокристаллический полимер).
Проницаемый для текучей среды нагревательный элемент 122 содержит планарный сетчатый нагревательный элемент, выполненный из множества нитей. Подробности конструкции нагревательного элемента данного типа можно найти в опубликованной патентной заявке PCT № WO2015/117702. Нагревательный элемент проходит за пределы трубчатой выемки 132 в направлении внутрь и наружу от плоскости по Фиг. 2, так что противоположные концы нагревательного элемента расположены с внешней стороны держателя 134 нагревателя. На каждом из противоположных концов нагревательного элемента 122 обеспечены контактные площадки для подачи электрической мощности на нагревательный элемент 122.
Оба из переносящего материала 124 и удерживающего материала 136 выполнены из капиллярных материалов, которые удерживают и переносят жидкий образующий аэрозоль субстрат. Как описано выше, переносящий материал 124 находится в непосредственном контакте с нагревательным элементом 122 и имеет более высокую температуру термического разложения (по меньшей мере 160 градусов по Цельсию или выше, например приблизительно 250 градусов по Цельсию), чем удерживающий материал 136. Переносящий материал 124 эффективно действует как разделитель, отделяющий нагревательный элемент 122 от удерживающего материала 136, так что удерживающий материал 136 не подвергается воздействию температур, превышающих его температуру термического разложения. Температурный градиент на переносящем материале 124 является таким, что удерживающий материал 136 подвергается лишь воздействию температур ниже его температуры теплового разложения. Удерживающий материал 136 может быть выбран таким образом, чтобы он имел более высокую капиллярность, чем переносящий материал 124, и таким образом удерживал больше жидкости на единицу объема, чем переносящий материал 124. В данном примере переносящий материал 124 представляет собой термостойкий материал, такой как материал, содержащий хлопок или обработанный хлопок, а удерживающий материал 136 представляет собой полимер, такой как полиэтилен высокой плотности (HDPE) или полиэтилентерефталат (PET).
Переносящий материал 124 выполнен в виде диска, имеющего диаметр приблизительно 5,8 мм и толщину приблизительно 2,5 мм. Данный диаметр немного больше внутреннего диаметра трубчатой выемки 132, так что переносящий материал 124 сжимается радиально внутрь в направлении центра диска при вставке переносящего материала 124 в трубчатую выемку 132. Это делается для обеспечения уплотнения между наружной окружной поверхностью диска и внутренней окружной поверхностью трубчатой выемки 132, чтобы воспрепятствовать утечке жидкого генерирующего аэрозоль субстрата по окружности наружной стороны переносящего материала 124. Однако сжатие диска приводит к сжатию микроканалов капиллярного материала, из которого изготовлен переносящий материал 124. Это может создавать проблему, поскольку может препятствовать переносу жидкого образующего аэрозоль субстрата через переносящий материал 124.
Для решения данной проблемы вторая поверхность 124b переносящего материала 124 оснащена отверстием 126, проходящим по всей толщине переносящего материала 124, т. е. от второй поверхности 124b до первой поверхности 124a. Отверстие 126 обеспечено в центре переносящего материала 124, где сжатие является наибольшим, и оно образует сформированный канал текучей среды для жидкого генерирующего аэрозоль субстрата. Это способствует прохождению жидкости через центральную область переносящего материала 124, где сжатие является наибольшим. Указанные отверстия сужаются в направлении первой поверхности 124a переносящего материала 124, и они могут иметь различные размеры, в зависимости от характеристик переносящего материала 124 и жидкого генерирующего аэрозоль субстрата. В данном примере отверстие 126 имеет входной диаметр 1,3 мм на второй поверхности 124b и выходной диаметр 0,3 мм на первой поверхности 124a перед вдавливанием в трубчатую выемку 132. Отверстие 126 выполнено путем перфорирования переносящего материала 124 с помощью конического перфорирующего инструмента, который описан ниже.
На Фиг. 4 показан вид в разрезе переносящего материала 124 по Фиг. 2 и 3. Площадь сечения переносящего материала 124 увеличена в сто раз для демонстрации его внутренней структуры. Переносящий материал 124 выполнен из удлиненных волокон, которые выровнены по существу параллельно первой 124a и второй 124b поверхностям переносящего материала 124. Жидкость переносится через переносящий материал 124 в малых пустотах или микроканалах между удлиненными волокнами 124с за счет капиллярного действия. Хотя некоторое количество жидкости переносится через толщину переносящего материала 124, преобладающим направлением переноса жидкости является направление вдоль волокон, т.е. по существу параллельно первой 124a и второй 124b поверхностям переносящего материала 124. Такая компоновка предотвращает перенос слишком большого количества жидкости к проницаемому для текучей среды нагревательному элементу, что может привести к утечкам и оседанию капель жидкого образующего аэрозоль субстрата в тракте потока воздуха. Кроме того, это способствует распространению жидкого образующего аэрозоль субстрата по площади проницаемого для текучей среды нагревательного элемента для содействия равномерному увлажнению нагревательного элемента. Однако вследствие сжатия вышеописанного переносящего материала 124 микроканалы в центре переносящего материала 124 могут сужаться, что будет препятствовать переносу жидкого генерирующего аэрозоль субстрата через переносящий материал 124, т.е. из удерживающего материала к проницаемому для текучей среды нагревательному элементу. Отверстие 126 предназначено для решения данной проблемы путем обеспечения сформированного канала текучей среды в центральной области переносящего материала, чтобы обеспечить возможность поступления достаточного количества жидкого генерирующего аэрозоль субстрата к проницаемому для текучей среды нагревательному элементу с целью предотвращения ситуации сухой затяжки. Отверстие 126 проходит в направлении, по существу перпендикулярном среднему направлению удлиненных волокон 124c.
На Фиг. 5 показан переносящий материал 224 согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Переносящий материал 224 схож с материалом, показанным на Фиг. 4, за исключением того, что он имеет выпуклую первую поверхность 224a, в частности, в форме выпуклого купола. Эта форма может быть результатом процесса пробивки и перфорирования, который используется для изготовления переносящего материала 224, применяется ко второй поверхности 224b и имеет тенденцию к выгибанию наружу первой поверхности 224a вследствие приложения пробивающего и перфорирующего усилия. В качестве альтернативы, он может быть применен к переносящему материалу 224, например, путем его принудительного введения в пресс-форму. Такая компоновка содействует тому, чтобы переносящий материал 224 соответствовал по форме изогнутому проницаемому для текучей среды нагревательному элементу, причем данная форма может представлять собой побочный результат некоторых производственных процессов, используемых для изготовления проницаемого для текучей среды нагревательного элемента. Коническое отверстие 226 проходит по всей толщине транспортного материала 224. Переносящий материал выполнен в виде диска, имеющего диаметр приблизительно 5,8 мм и толщину приблизительно 2,5 мм в его самом толстом месте.
На Фиг. 6 показан переносящий материал 324 согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Переносящий материал 324 схож с материалом, показанным на Фиг. 5, за исключением того, что отверстие 326 проходит лишь частично через толщину переносящего материала 324. В этом примере отверстие 326 проходит в транспортный материал 324 до глубины, которая больше половины толщины транспортного материала 324. Хотя в данной компоновке не предусмотрено сквозное отверстие в переносящем материале 324 для протекания через него жидкости, она, тем не менее, увеличивает поток жидкого генерирующего аэрозоль субстрата через переносящий материал, благодаря уменьшению толщины переносящего материала в области указанного отверстия, через которое должна протекать жидкость, в данном примере - менее чем до половины толщины. Иначе говоря, жидкость, которая втекает в отверстие 326, имеет возможность более легкого проникновения через остальную часть толщины переносящего материала 324 по сравнению со случаем, когда она должна проникать через всю толщину.
На Фиг. 7 показан переносящий материал 424 согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Как и в предыдущих случаях, переносящий материал 424 выполнен в виде диска, имеющего диаметр приблизительно 5,8 мм и толщину приблизительно 2,5 мм. Переносящий материал 424 содержит множество отверстий: первое отверстие 426a, обеспеченное в первой поверхности 424a, и второе отверстие 426b, обеспеченное во второй поверхности 424b. Каждое из первого 426a и второго 426b отверстий проходит в транспортный материал 424 до глубины, которая больше половины толщины транспортного материала 424. Первое 426a и второе 426b отверстия выровнены таким образом, что они соединены с образованием сквозного отверстия в переносящем материале 424, через которое обеспечивается возможность прохождения жидкого генерирующего аэрозоль субстрата.
На Фиг. 8 показан переносящий материал 524 согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Переносящий материал 524 схож с материалом, показанным на Фиг. 7, за исключением того, что первое 526a и второе 526b отверстия не выровнены, а удалены друг от друга в направлении, параллельном первой 524a и второй 524b поверхностям. Каждое из первого 526a и второго 526b отверстий проходит в транспортный материал 524 до глубины, которая больше половины толщины транспортного материала 524. Жидкий генерирующий аэрозоль субстрат, который втекает в отверстие 526b, имеет возможность перемещения за счет капиллярного действия вдоль удлиненных волокон переносящего материала 524 в направлении, параллельном первой 524a и второй 524b поверхностям, в отверстие 526a, где он имеет возможность прохождения к проницаемому для текучей среды нагревательному элементу.
Способ изготовления нагревателя в сборе согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает этап, на котором располагают переносящий материал с обеспечением сообщения по текучей среде с проницаемым для текучей среды нагревательным элементом. Один пример обеспечения сообщения по текучей среде состоит в размещении переносящего материала в контакте с проницаемым для текучей среды нагревательным элементом. Переносящий материал может быть обеспечен путем пробивки диска из более крупной части переносящего материала.
На Фиг. 9 показан пример пуансона 600 для выполнения диска из переносящего материала. Пуансон 600 содержит цилиндрический столбец 650, имеющий внутреннюю резьбу 652 на одном конце для прикрепления пуансона к прессу (не показан). Продольная резьба 652 проходит продольно в цилиндрический корпус 650. Другой конец цилиндрического корпуса 650 содержит режущий конец 654 пуансона 600, выполненный с возможностью вырезания диска из переносящего материала. Режущий конец имеет такой же диаметр, что и диск из переносящего материала, т.е. приблизительно 5,8 мм. Конический перфорирующий элемент 656 расположен на режущем конце и выполнен с возможностью перфорации переносящего материала с образованием отверстия. Конический перфорирующий элемент 656 имеет диаметр в его самом широком приблизительно 1,3 мм и длину приблизительно 4,3 мм. Благодаря размещению конического перфорирующего элемента 656 на режущем конце пуансона 600, обеспечивается возможность прокалывания переносящего материала в ходе этапа вырезания диска из переносящего материала.