НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ, УСТРОЙСТВО, ГЕНЕРИРУЮЩЕЕ АЭРОЗОЛЬ, И СПОСОБ НАГРЕВА СУБСТРАТА, ОБРАЗУЮЩЕГО АЭРОЗОЛЬ
HEATING UNIT, AN AEROSOL-GENERATING DEVICE AND A METHOD OF HEATING THE AEROSOL-FORMING SUBSTRATE

Настоящее изобретение относится к устройству, генерирующему аэрозоль, и к способу генерирования аэрозоля посредством нагревания субстрата, образующего аэрозоль.
Имеются устройства, генерирующие аэрозоль, в которых субстраты, образующие аэрозоль, нагреваются нагревательным узлом внутри устройства для образования вдыхаемого аэрозоля вещества, испаряемого из субстрата при нагревании. Многие устройства, генерирующие аэрозоль, содержат резистивные электрические нагреватели для генерирования тепловой энергии для нагрева субстрата. Однако резистивный нагрев может сопровождаться высоким энергопотреблением, таким образом ограничивая время работы устройств, использующих нагреватели, приводимые в действие батареей. Другие устройства, генерирующие аэрозоль, содержат химические нагреватели, использующие тепловое выделение экзотермических химических реакций для нагрева субстрата. Например, такие химические нагреватели могут представлять собой твердотопливные нагреватели или каталитические нагреватели. Несмотря на то, что, как правило, обеспечиваются высокая плотность энергии, может быть затруднительным управление химической реакцией и, следовательно, высвобождением тепла химических нагревателей.
Таким образом, было бы желательно получить изделие, генерирующее аэрозоль, и устройство, генерирующее аэрозоль, с преимуществами решений из известного уровня техники, но без их ограничений. В частности, было бы желательно иметь такие продукты и такой способ, обеспечивающий регулируемый и энергоэффективный нагрев субстрата, образующего аэрозоль.
Согласно настоящему изобретению, предоставляется узел токоприемника для нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Нагревательный узел содержит химическое нагревательное устройство, выполненное с возможностью генерирования первичного тепла посредством экзотермической химической реакции и подачи первичного тепла на субстрат, образующий аэрозоль, для нагрева субстрата. Нагревательный узел дополнительно содержит электрическое нагревательное устройство, выполненное с возможностью генерирования с помощью электричества и подачи вторичного тепла на субстрат, образующий аэрозоль, для нагрева субстрата.
Как и в случае с двумя разными нагревательными устройствами, нагревательный узел согласно настоящему изобретению может быть понят как гибридное нагревательное устройство, обеспечивающее гибридный раствор для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, получающего преимущества обоих нагревательных устройств. Химическое нагревательное устройство обеспечивает источник тепла с высокой плотностью энергии, таким образом, обеспечивая эффективное генерирование первичного тепла, который, например, может быть использован для начального нагрева или грубого нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Электрическое нагревательное устройство обеспечивает вторичное тепло хорошо управляемым образом, в частности, обеспечивает возможность точного нагрева субстрата до целевой температуры. Целевая температура предпочтительно соответствует требуемой температуре субстрата, образующего аэрозоль, для генерирования аэрозоля.
В целом, нагревательный узел может быть выполнен с возможностью параллельного использования химического нагревательного устройства и электрического нагревательного устройства для параллельного или комбинированного нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Предпочтительно, химическое нагревательное устройство может быть выполнено с возможностью генерирования и подачи первичного тепла на субстрат, образующий аэрозоль, для нагрева субстрата до предварительно заданной целевой температуры, и электрическое нагревательное устройство может быть выполнено с возможностью генерирования и подачи вторичного тепла в дополнение к первичной теплоте для дополнительного нагревания субстрата, образующего аэрозоль, до целевой температуры, превышающей предварительно заданную целевую температуру. Таким образом, нагревательный узел может быть выполнен с возможностью использования химического нагревательного устройства и электрического нагревательного устройства в сочетании с целью достижения целевой температуры. В частности, благодаря хорошей управляемости электрического нагревательного устройства, параллельное использование химического нагревательного устройства и электрического нагревательного устройства обеспечивает возможность точного регулирования температуры образующего аэрозоль субстрата с помощью регулируемой подачи вторичного тепла в дополнение к первичному источнику тепла.
В качестве альтернативы или дополнительно, нагревательный узел может быть выполнен с возможностью последовательного использования химического нагревательного устройства и электрического нагревательного устройства для последовательного нагрева образующего аэрозоль субстрата, в частности, во время разных фаз генерирования аэрозоля. Согласно этому, нагревательный узел может быть выполнен с возможностью использования химического нагревательного устройства для нагрева образующего аэрозоль субстрата в течение одной фазы с генерированием аэрозоля, и для использования электрического нагревательного устройства для нагрева образующего аэрозоль субстрата во время другой фазы генерирования аэрозоля. В частности, нагревательный узел может быть выполнен с возможностью нагревания субстрата, образующего аэрозоль, до разных температур во время разных фаз с использованием любого из химического нагревательного устройства и электрического нагревательного устройства, что обеспечивает возможность управления генерированием аэрозоля с течением времени. Например, нагревательный узел может быть выполнен с возможностью нагрева образующего аэрозоль субстрата согласно первому температурному профилю с использованием нагревательного устройства во время первой фазы генерирования аэрозоля и нагрева образующего аэрозоль субстрата согласно второму температурному профилю с использованием электрического нагревательного устройства во время второй фазы генерирования аэрозоля. Первый и второй профили температуры могут быть такими, чтобы температура повышалась от начальной температуры до первой температуры во время первой фазы, и падала ниже первой температуры, а затем снова повышалась во время второй фазы.
В целом, нагревательный узел может быть выполнен с возможностью последовательного использования химического нагревательного устройства и электрического нагревательного устройства в любой последовательности. Например, нагревательный узел может быть выполнен таким образом, чтобы сначала использовать химическое нагревательное устройство и затем использовать электрическое нагревательное устройство, или наоборот.
В контексте данного документа термины «первичное тепло» и «вторичное тепло» означают номинальные термины, обеспечивающие возможность дифференцировки тепла, исходящего от нагревательного устройства и тепла, исходящего от электрического нагревательного устройства. Термины не обязаны иметь никакого количественного отношения. Первичное тепло и вторичное тепло составляют первое количество и второе количество тепловой энергии соответственно, которые могут быть использованы в комбинации или последовательно.
Предпочтительно, в случае использования химического нагревательного устройства и электрического нагревательного устройства в комбинации, первичное тепло, предоставленное или предоставляемое химическим нагревательным устройством, может быть больше, чем вторичное тепло, предоставленное или предоставляемое электрическим нагревательным устройством.
Соответственно, химическое нагревательное устройство может быть выполнено с возможностью генерирования основного количества или большего количества тепла для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, тогда как электрическое нагревательное устройство может быть выполнено с возможностью генерирования вспомогательного или меньшего количества тепла в дополнение к, но менее чем основное/главное/большее количество тепла, предоставленного или получаемого химическим нагревательным устройством.
Предпочтительно, химическое нагревательное устройство выполнено с возможностью грубого нагрева или грубого регулирования температуры субстрата, образующего аэрозоль, тогда как электрическое нагревательное устройство может быть выполнено с возможностью тонкого нагрева или тонкого регулирования температуры субстрата, образующего аэрозоль.
Разность температур между предварительно заданной целевой температурой и целевой температурой может быть меньше, чем разность температур между предварительно заданной температурой и начальной температурой субстрата, образующего аэрозоль, перед нагреванием. Начальная температура субстрата, образующего аэрозоль, может, например, быть комнатной температурой. Преимущественно, предварительно заданная целевая температура может представлять собой любую температуру от 200 °C до 280 °C, в частности, от 240 °C до 260 °C, предпочтительно приблизительно 250 °C. Целевая температура обычно может представлять собой любую температуру от 300 °C до 350 °C.
Генерирование первичного тепла может быть ограничено предварительно заданной целевой температурой, которая значительно ниже целевой температуры, так что полное отключение вторичного тепла будет достаточным для легкого снижения фактической температуры до приемлемых температур в случае перегрева. Химическое нагревательное устройство может быть выполнено с возможностью предварительной настройки генерирования первичного тепла, в частности, для ограничения генерирования первичного тепла до заданного предельного значения.
Разумеется, первичное тепло, предоставленное или предоставляемое химическим нагревательным устройством, может быть также меньше или равно вторичному теплу, предоставленному или предоставляемому электрическим нагревательным устройством. Соответственно, разность температур между предварительно заданной целевой температурой и целевой температурой может быть больше или равна разности температур между предварительно заданной целевой температурой и начальной температурой субстрата, образующего аэрозоль.
Нагревательный узел может содержать контроллер, функционально соединенный по меньшей мере с электрическим нагревательным устройством для управления температурой субстрата, образующего аэрозоль. Благодаря своей высокой степени управляемости, электрическое нагревательное устройство является предпочтительным приводным элементом, используемым для регулирования температуры образующего аэрозоль субстрата. В частности, электрическое нагревательное устройство может использоваться для регулирования температуры субстрата, образующего аэрозоль, до целевой температуры.
Химическое нагревательное устройство также может быть использовано для управления температурой субстрата, образующего аэрозоль. Для этого контроллер также может быть функционально соединен с электрическим нагревательным устройством. Однако, поскольку химические нагревательные устройства, как правило, менее управляемые, чем электрические нагревательные устройства, химическое нагревательное устройство предпочтительно используется только для грубого управления или для медленного управления температурой субстрата, образующего аэрозоль, или для грубого и медленного управления температурой субстрата, образующего аэрозоль. Медленное управление может предусматривать контроль в течение более длительных периодов времени, например, более 10 секунд. В отличие от этого, электрическое нагревательное устройство предпочтительно используется для точного управления или быстрого управления температурой субстрата, образующего аэрозоль, или для точного управления и быстрого управления температурой субстрата, образующего аэрозоль, в частности, при коротких скоростях.
По меньшей мере в отношении управления вторичным теплом контроллер предпочтительно представляет собой контроллер с обратной связью, основанный на измерении температуры, которая указывает фактическую температуру субстрата, образующего аэрозоль. Для этого нагревательный узел может содержать по меньшей мере один датчик температуры, функционально соединенный с контроллером. Датчик температуры может представлять собой отдельный датчик температуры, который при использовании нагревательного узла в устройстве, генерирующем аэрозоль, предпочтительно расположен в тепловой близости от субстрата, образующего аэрозоль, или в тепловом контакте с ним. В качестве альтернативы или дополнительно, само электрическое нагревательное устройство может быть также выполнено с возможностью выполнения функции датчика температуры. Подробнее они будут описаны ниже.
С целью управления температурой субстрата, образующего аэрозоль, контроллер может управлять электрическим источником питания электрического нагревательного устройства. Подобным образом, контроллер может также управлять или действовать на средства управления генерированием первичного тепла, например, управляемой системы подачи для подачи по меньшей мере одного реагирующего вещества в экзотермическое химическое вещество. Такие средства также будут описаны более подробно ниже. Управление генерированием первичного тепла предпочтительно является управлением без обратной связи или непрерывным или предпочтительно является управлением без обратной связи и непрерывным.
В данном документе термин «субстрат, образующий аэрозоль» означает субстрат, обладающий способностью к высвобождению летучих соединений, которые могут образовывать аэрозоль после нагревания субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может в целях удобства быть частью изделия, генерирующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может представлять собой твердый или жидкий субстрат, образующий аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие табачные ароматические соединения, которые высвобождаются из субстрата при нагревании. В качестве альтернативы или дополнительно, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может содержать нетабачный материал. Субстрат, образующий аэрозоль, может дополнительно содержать вещество для образования аэрозоля. Примерами подходящих веществ для образования аэрозоля являются глицерин и пропиленгликоль. Субстрат, образующий аэрозоль, также может содержать другие добавки и ингредиенты, такие как никотин или ароматизаторы. В частности, жидкий субстрат, образующий аэрозоль, может содержать воду, растворители, этанол, растительные экстракты и натуральные или искусственные ароматизаторы. Субстрат, образующий аэрозоль, также может быть пастообразным материалом, саше из пористого материала, содержащим субстрат, образующий аэрозоль, или, например, рассыпным табаком, смешанным с гелеобразующим средством или клейким средством, который может содержать обычное вещество для образования аэрозоля, такое как глицерин, и который впоследствии будет сжат или сформован в виде штранга.
В контексте данного документа термин «химическое нагревательное устройство выполнено с возможностью генерирования тепла посредством экзотермической химической реакции» предпочтительно включает в себя непосредственное генерирование и обеспечение тепла посредством экзотермической химической реакции, которая использует или обеспечивает тепло, непосредственно высвобождаемое экзотермической химической реакцией для нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Таким образом, химическое нагревательное устройство выполнено с возможностью превращения химической энергии непосредственно в тепловую энергию.
В частности, химическое нагревательное устройство может представлять собой топливный нагреватель для сгорания топлива в экзотермической восстановленной химической реакции между топливом и окислителем, например, кислородом. Предпочтительно, горение может быть катализировано. Соответственно, химическое нагревательное устройство может представлять собой топливо или каталитический нагреватель.
Предпочтительно, экзотермическая химическая реакция для генерирования первичного тепла может включать по меньшей мере одну из следующих реакций:
окисление топлива, включающего катализаторы из драгоценных металлов;
окисление топлива, включающего катализаторы из драгоценных металлов и оксидов переходных металлов;
окислительно–восстановительную реакцию железа или соединений железа, содержащих катализаторы активированного угля;
окислительно–восстановительную реакцию металла, включающую применение металла–восстановителя и содержащего металл окислителя;
экзотермическую реакцию, инициируемую водой;
экзотермическую кристаллизацию пересыщенных растворов.
Что касается реакций типа (a), катализаторы из драгоценных металлов обычно вызывают окисление топлива без образования пламени. Катализатор может быть в целом диспергирован или нанесен на пористые изделия, в которых материал катализатора катализирует топливо при контакте. С целью повышения температуры сгорания, в частности, для полного сгорания топлива и для значительного восстановления монооксида углерода, окисление топлива может подразумевать оксиды переходных металлов вместе с традиционными катализаторами горения, такими как катализаторы из драгоценных металлов (см. реакции типа (b)).
Что касается реакций типа (c), то катализирующий эффект активированного угля может быть использован для инициирования окислительно–восстановительной реакции железа или соединений железа.
Что касается окислительно–восстановительных реакций металла в соответствии с типом (d), то материалы, вступающие в реакцию, могут включать применение металла–восстановителя и окислителя, такого как содержащий металл окислитель. Во время экзотермической реакции происходит восстановление молекулярного кислорода посредством окисленного соединения. Металл–восстановитель может содержать одно из следующего: молибден, магний, кальций, стронций, барий, бор, титан, цирконий, ванадий, ниобий, тантал, хром, вольфрам, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, кадмий, олово и алюминий.
В экзотермических реакциях, инициируемых водой, воду используют в качестве инициатора реакции для химического реагента, последний может включать одно из следующего: оксид кальция, гидроксид натрия, хлорид кальция, сульфат магния, железный порошок, тригидрат ацетата натрия, октагидрат гидроксида бария, гексагидрат нитрата магния, гексагидрат хлорида магния, безводные неорганические соли или т. п.
Что касается экзотермической кристаллизации перенасыщенных растворов, то пересыщенные растворы подвергаются кристаллизации инициаторов, вызывая быструю кристаллизацию. Во время кристаллизации выделяется тепло. Применяемые соединения могут быть выбраны из соединений, таких как тригидрат ацетата натрия, сульфат натрия, глауберова соль или гексагидрат нитрата магния.
Для осуществления процесса экзотермической химической реакции, химическое нагревательное устройство может содержать реакционную камеру. Преимущественно, место или объем реакции экзотермической химической реакции является реакционно изолированным от субстрата, образующего аэрозоль. Следовательно, химическое нагревательное устройство может дополнительно содержать элемент теплопередачи для передачи первичного тепла, которое генерируется в реакционной камере, из камеры реакций, так что тепло может быть подано в субстрат, образующий аэрозоль, за пределами реакционной камеры.
Элемент теплопередачи может содержать первую часть, которая по меньшей мере частично расположена в реакционной камере или открыта во внутреннее пространство реакционной камеры. Предпочтительно, первая часть по меньшей мере частично расположена в реакционной камере таким образом, что экзотермическая химическая реакция происходит непосредственно в первой части или на ней или, таким образом, что экзотермическая химическая реакция непосредственно влияет на первую часть.
Элемент теплопередачи может дополнительно содержать вторую часть, которая термически соединена с первой частью и расположена или предусмотрена по меньшей мере частично снаружи реакционной камеры. Вторая часть предпочтительно выполнена с возможностью по меньшей мере частичного вхождения или приведения в тепловую близость с субстратом, образующим аэрозоль, или тепловой контакт с ним. Для этого вторая часть может быть оптимизирована так, чтобы иметь большую поверхность для передачи как можно большего количества тепла на субстрат, образующий аэрозоль.
Вторая часть может быть выполнена с возможностью вмещения и предпочтительно удержания субстрата, образующего аэрозоль. Для этого вторая часть может содержать полость или скошенный элемент или может содержать полость и скошенный элемент. В качестве примера, вторая часть может содержать по меньшей мере одно из следующего: лезвие, швеллер, прокалывающий инструмент, зубец, стержень, трубка, полость, емкость, чашка или полый цилиндр.
Вторая часть может быть выполнена с возможностью по меньшей мере частичного вхождения в тепловую близость с жидкостным конвейером, таким как капиллярная сетка или фитильный элемент, или тепловой контакт с ним. Жидкий конвейер может быть приведен в контакт или находиться в контакте с жидким субстратом, образующим аэрозоль. В целом, жидкий конвейер является частью всего устройства, генерирующего аэрозоль, а не частью нагревательного узла. Разумеется, возможно также, что жидкий конвейер является частью нагревательного узла. Элемент теплопередачи, предпочтительно вторая часть, может содержать по меньшей мере один жидкий конвейер, выполненный с возможностью вхождения в контакт с жидким субстратом, образующим аэрозоль.
Предпочтительно, элемент теплопередачи представляет собой проводник тепла, содержащий теплопроводный материал. Элемент теплопередачи может быть выполнен с возможностью хранения тепла. Предпочтительно, элемент теплопередачи содержит материал, имеющий высокую удельную теплоемкость и предпочтительно также хорошую теплопроводность. Например, элемент теплопередачи может содержать металл, в частности, медь, нержавеющую сталь или алюминий, или комбинацию металлов.
Элемент теплопередачи может подаваться через стенку камеры реакции таким образом, что первая часть по меньшей мере частично расположена в реакционной камере или открыта во внутреннее пространство реакционной камеры, и что вторая часть расположена или предусмотрена по меньшей мере частично снаружи реакционной камеры.
Элемент теплопередачи может содержать по меньшей мере часть стенки реакционной камеры, имеющую внутреннюю поверхность, открытую во внутреннее пространство реакционной камеры. Внешняя поверхность может быть выполнена с возможностью по меньшей мере частичного вхождения в тепловую близость с субстратом, образующим аэрозоль, соответствующим вышеуказанной второй части, или тепловой контакт с ним. Предпочтительно, первая и вторая части элемента теплопередачи образованы как единое целое. В качестве альтернативы, внешняя поверхность может быть термически соединена с отдельной частью элемента теплопередачи, которая выполнена с возможностью вхождения по меньшей мере частично в тепловую близость с субстратом, образующим аэрозоль, или тепловой контакт с ним. Указанная другая часть может соответствовать вышеуказанной второй части.
Элемент теплопередачи, первая часть и вторая часть соответственно могут содержать несколько конфигураций, форм и материалов. В частности, элемент теплопередачи, первая часть и вторая часть, соответственно, могут иметь любую форму поперечного сечения, например, круглую, треугольную, прямоугольную, квадратную или многогранную. По меньшей мере один из элемента теплопередачи, первой части и второй части может быть по меньшей мере частично полым или по меньшей мере частично массивным. Первая часть и вторая часть могут отличаться друг от друга по меньшей мере по одному из следующих признаков: конфигурации, форме и материала.
В качестве примера, элемент теплопередачи может иметь форму лезвия или может содержать лезвие, в частности, из металла. Первая часть лопатки может быть по меньшей мере частично расположена в реакционной камере или открыта во внутреннее пространство реакционной камеры, тогда как вторая часть лопатки может быть расположена или предусмотрена по меньшей мере частично снаружи реакционной камеры. В частности, лопатка может подаваться или проходить через стенку реакционной камеры. Предпочтительно, вторая часть лопатки выполнена с возможностью вмещения и предпочтительно удержания субстрата, образующего аэрозоль. Для этого свободный конец второй части лопатки может быть коническим, в частности, в случае твердых субстратов, образующих аэрозоль.
В качестве другого примера, элемент теплопередачи может содержать полый цилиндр, например, выполненный из металла. В частности, первая осевая часть цилиндра может быть по меньшей мере частично расположена в реакционной камере или открыта во внутреннее пространство реакционной камеры. Первая осевая часть цилиндра может содержать по меньшей мере часть стенки реакционной камеры. Вторая осевая часть цилиндра может быть расположена или обеспечена по меньшей мере частично снаружи реакционной камеры. Кроме того, разделяющий элемент может быть предусмотрен для отделения внутреннего пространства, окруженного первой частью, от внутреннего пространства, окруженного второй частью. Разделяющий элемент может быть частью реакционной камеры или частью элемента теплопередачи, или частью как реакционной камеры, так и элемента теплопередачи. Внутреннее пространство второй осевой части цилиндра может быть выполнено с возможностью вмещения и предпочтительно удержания субстрата, образующего аэрозоль. Для этого передний конец второй осевой части цилиндра может быть открытым.
Элемент теплопередачи может содержать емкость, находящуюся в тепловом контакте с реакционной камерой. В частности, нижняя часть емкости может представлять собой часть стенки реакционной камеры, где внешняя поверхность нижней части открыта во внутреннее пространство реакционной камеры. Внутреннее пространство емкости может быть выполнено с возможностью вмещения и предпочтительно удержания субстрата, образующего аэрозоль.
Химическое нагревательное устройство может содержать по меньшей мере один резервуар для реагирующих веществ для хранения по меньшей мере одного реагирующего вещества экзотермической химической реакции и для подачи по меньшей мере одного реагирующего вещества в реакционную камеру. Резервуар для реагирующего вещества может быть заправляемым, например, через заправочное сопло или впускное отверстие. Резервуар для реагирующего вещества может быть соединен с реакционной камерой через по меньшей мере одну подающую трубу, трубку или канал.
Химическое нагревательное устройство может содержать нажимное средство для давления, оказываемого реагирующим веществом в резервуаре для реагирующего вещества, для облегчения подачи реагирующего вещества в реакционную камеру. Такие средства сжатия могут содержать микронасос или сжатый газ, или напряженную пружину, прилагающую давление на реагирующее вещество в резервуаре для реагирующего вещества.
Подающая труба, трубка или канал могут содержать множество или ряд капиллярных каналов, что вызывает автоматическое распределение реагирующего вещества капиллярными силами. Количество капиллярных каналов может быть использовано для управления или предварительного определения расхода. Преимущественно, капиллярные каналы не требуют каких–либо средств давления для облегчения подачи реагирующего вещества в реакционную камеру. Это упрощает химическое нагревательное устройство.
Реакционная камера может содержать по меньшей мере одно из впускного отверстия, прохода или впуска. Например, реакционная камера может содержать впускное отверстие, соединенное с резервуаром для реагирующего вещества для приема по меньшей мере одного реагирующего вещества экзотермической химической реакции. В частности, подающая труба, трубка или канал, соединяющий резервуар для реагирующего вещества с реакционной камерой, могут быть соединены с впускным отверстием реакционной камеры.
Реакционная камера может содержать впускное отверстие для подачи воздуха, в частности, кислорода. Кроме того, реакционная камера может содержать по меньшей мере одно выпускное отверстие, в частности, по меньшей мере одно выпускное отверстие для выгрузки продуктов реакции экзотермической химической реакции из реакционной камеры. В качестве примера, реакционная камера может содержать по меньшей мере одно выпускное отверстие для отработавших газов.
Химическое нагревательное устройство может содержать тепловой барьер между реакционной камерой и резервуаром для реагирующего вещества для теплового экранирования. В частности, подающую трубу, трубку или канал, соединяющий резервуар для реагирующих веществ с реакционной камерой, можно подавать через тепловой барьер.
Например, в случае жидкого или газообразного топливного нагревателя нагреватель может содержать топливный резервуар для распыления топлива в реакционную камеру. Для этого реакционная камера может находиться в жидкостной связи с топливным резервуаром посредством подающего трубопровода. Топливо в резервуаре может быть заправляемым посредством заправочного сопла. Кроме того, химическое нагревательное устройство может обеспечивать давление для нагнетания топлива в топливном резервуаре, так что топливо может легко распределяться в реакционную камеру, например, при открытии топливного клапана для управления жидкостной связью между топливным резервуаром и реакционной камерой.
Нагревательный узел может дополнительно содержать средство для управления генерированием первичного тепла, в частности, для регулирования или ограничения генерирования первичного тепла. Эти средства могут включать в себя управляемую систему подачи для подачи по меньшей мере одного реагирующего на экзотермическую химическую реакцию и для управления генерированием первичного тепла. Управляемость системы подачи может обеспечивать предварительную настройку генерирования первичного тепла, в частности, для ограничения генерирования первичного тепла до заданного предельного значения. В качестве альтернативы или дополнительно, контролируемая система подачи может обеспечивать возможность регулирования генерирования первичного тепла во время использования нагревательного узла или устройства, генерирующего аэрозоль, соответственно. Управляемая система подачи может содержать впускной клапан и/или выпускной клапан для регулирования расхода через указанное по меньшей мере одно впускное отверстие или выпускное отверстие соответственно. В частности, управляемая система подачи может содержать по меньшей мере один впускной клапан для управления подачей реагирующего вещества из резервуара для реагирующих веществ в реакционную камеру или впускным воздушным клапаном для управления подачей воздуха в реакционную камеру. Средства давления для давления, оказываемого реагирующим веществом в резервуаре для реагирующих веществ, могут быть частью или могут подвергаться воздействию средства для управления генерированием первичного тепла или контролируемой системы подачи соответственно.
Нагревательный узел может дополнительно содержать средства для управления подачей первичного тепла на субстрат, образующий аэрозоль. Такие средства могут, например, содержать смещающее устройство или смещающий механизм для обратимого смещения элемента теплопередачи для вхождения в тепловую близость с субстратом, образующим аэрозоль, или тепловой контакт с ним. Такие средства также могут содержать смещающее устройство или смещающий механизм для обратимого смещения субстрата, образующего аэрозоль, для вхождения в тепловую близость с элементом теплопередачи или тепловой контакт с элементом теплопередачи и выхода из него. Такие средства также могут содержать смещающее устройство или смещающий механизм для обратимого смещения элемента теплопередачи, в частности, первой части элемента теплопередачи, для вхождения в тепловую близость с реакционной камерой или тепловой контакт с реакционной камерой и выхода из него.
В целом электрическое нагревательное устройство согласно настоящему изобретению может представлять собой любое устройство, выполненное с возможностью преобразования электрической энергии в тепло.
Например, электрическое нагревательное устройство может представлять собой индукционный нагреватель, содержащий генератор для изготовления переменного магнитного поля, и материал токоприемника, который выполнен с возможностью индукционного нагрева посредством переменного магнитного поля и расположен относительно генератора таким образом, чтобы он нагревался переменным магнитным полем. Для нагрева субстрат, образующий аэрозоль, необходимо привести в тепловую близость с материалом токоприемника. Следовательно, нагревательный узел согласно настоящему изобретению может быть выполнен таким образом, что при использовании нагревательного узла в устройстве, генерирующем аэрозоль, материал токоприемника преимущественно находится в тепловой близости от субстрата, образующего аэрозоль, или в тепловом контакте с ним. В качестве альтернативы, индукционный нагреватель может содержать только генератор для создания переменного магнитного поля, в то время как материал токоприемника интегрируется в субстрат, образующий аэрозоль, подлежащий нагреву.
Предпочтительно электрическое нагревательное устройство представляет собой резистивное нагревательное устройство, содержащее резистивный нагревательный элемент. Резистивный нагревательный элемент нагревается при протекании через него электрического тока, обусловленное его присущим омическим сопротивлением или резистивной нагрузкой. Для этого резистивный нагревательный элемент может быть соединен с электрическим источником питания. Источник питания может представлять собой источник напряжения постоянного тока, например, батарею, предпочтительно перезаряжаемую батарею, такую как литий–ионная батарея.
Электрический источник питания может быть частью электрического нагревательного устройства или нагревательного узла в целом. В качестве альтернативы, электрическое нагревательное устройство может быть частью устройства, генерирующего аэрозоль, для которого предусмотрен нагревательный узел согласно настоящему изобретению. Независимо от того, является ли электрический источник питания частью устройства, генерирующего аэрозоль, или нагревательного узла, электрический источник питания также может использоваться для других целей, например, для запуска контроллера нагревательного узла или общего контроллера устройства, генерирующего аэрозоль.
Резистивный нагревательный элемент может содержать резистивную нагревательную проволоку, резистивную нагревательную дорожку, резистивную нагревательную решетку или резистивную нагревательную сетку.
Резистивный нагревательный элемент может быть выполнен с возможностью по меньшей мере частичного вхождения или приведения в тепловую близость с субстратом, образующим аэрозоль, или тепловой контакт с ним. Резистивный нагревательный элемент может быть выполнен с возможностью по меньшей мере частичного вхождения или приведения в тепловую близость с жидким конвейером или тепловой контакт с жидким конвейером, который, в свою очередь, может быть приведен в контакт или находиться в контакте с жидким субстратом, образующим аэрозоль.
Аналогично химическому нагревательному устройству электрическое нагревательное устройство может содержать элемент теплопередачи. Подобным образом, элемент теплопередачи может содержать первую часть, которая находится в тепловом контакте с резистивным нагревательным элементом, или на которой расположен резистивный нагревательный элемент. Элемент теплопередачи также может содержать вторую часть, выполненную с возможностью по меньшей мере частичного вхождения или приведения в тепловую близость с субстратом, образующим аэрозоль или тепловой контакт с ним. Дополнительные признаки и преимущества элемента теплопередачи были описаны применительно к элементу теплопередачи химического нагревательного устройства и не будут рассматриваться повторно.
В целом, химическое нагревательное устройство и электрическое нагревательное устройство могут быть отдельными и независимыми, в частности, в отношении подачи тепла от соответствующего нагревательного устройства на субстрат, образующий аэрозоль. Например, нагревательный узел может быть выполнен таким образом, чтобы химическое нагревательное устройство и электрическое нагревательное устройство могли подавать тепло на субстрат, образующий аэрозоль, в разных местах или с разных направлений.
Тем не менее, нагревательный узел предпочтительно выполнен таким образом, что химическое нагревательное устройство и электрическое нагревательное устройство могут подавать тепло на субстрат, образующий аэрозоль, приблизительно в одном и том же месте или в тех же самых местоположениях. Следовательно, нагревательный узел может быть предпочтительно выполнен таким образом, чтобы химическое нагревательное устройство и электрическое нагревательное устройство обеспечивали совмещенную или объединенную, или коалесцированную теплопередачу на субстрат, образующий аэрозоль. Это обеспечивает более равномерный нагрев субстрата, образующего аэрозоль. Более того, поскольку температура субстрата, образующего аэрозоль, зависит от накопления первичного тепла и вторичного тепла при использовании в сочетании, совмещенная или объединенная, или коалесцированная теплопередача способствует легкости регулирования температуры субстрата, образующего аэрозоль, в частности, для регулирования температуры субстрата, образующего аэрозоль, до целевой температуры.
Предпочтительно, резистивный нагревательный элемент может быть расположен по меньшей мере частично внутри или на элементе теплопередачи химического нагревательного устройства. Предпочтительно резистивный нагревательный элемент может быть расположен внутри или на второй части элемента теплопередачи. Во избежание образования электрических коротких замыканий элемент теплопередачи может содержать электрически изолирующее покрытие или подложку, которая принимает или поддерживает резистивный нагревательный элемент. В качестве альтернативы или дополнительно, сам резистивный нагревательный элемент может содержать электроизоляционное покрытие или подложку. В обоих случаях покрытие или подложка могут предпочтительно содержать керамический материал. В качестве примера, элемент теплопередачи химического нагревателя может содержать лопатку, имеющую металлический центральный элемент, проходящий вдоль первой и второй частей. Вдоль второй части металлический центральный элемент может быть дополнительно зажат между двумя керамическими колпачками. Внешняя поверхность по меньшей мере одного колпачка может быть покрыта металлической дорожкой, например, изготовленной из платины, в качестве резистивного нагревательного элемента. Для максимального увеличения теплоемкости металлическая дорожка может быть зигзагообразной или спиралеобразной.
Предпочтительно, резистивный нагревательный элемент может быть выполнен с возможностью функционирования в качестве датчика температуры. Эта возможность основана на свойстве сопротивления, зависящего от температуры, резистивного материала, используемого для создания резистивного нагревательного элемента. Нагревательное устройство может дополнительно содержать устройство считывания для измерения сопротивления резистивного нагревательного элемента. Устройство считывания может быть частью контроллера нагревательного узла или контроллера устройства, генерирующего аэрозоль. Измеренная температура непосредственно соответствует фактической температуре нагревательного элемента. Измеренная температура может также указывать на действительную температуру субстрата, образующего аэрозоль, в зависимости от расположения нагревательного элемента относительно субстрата, образующего аэрозоль, подлежащего нагреванию, и от заданных характеристик источника теплоты от электрического нагревательного устройства к субстрату, образующему аэрозоль. Следовательно, резистивный нагревательный элемент может использоваться в качестве датчика температуры для регулирования температуры образующего аэрозоль субстрата, в частности для регулирования фактической температуры образующего аэрозоль субстрата до целевой температуры.
Нагревательный узел может содержать устройство для преобразования энергии для преобразования тепла, генерируемого химическим нагревательным устройством, в электрическую энергию. Преимущественно, такое устройство может использоваться для восстановления тепла. В частности, устройство для преобразования энергии может быть выполнено с возможностью превращения избыточного или остаточного тепла, генерируемого химическим нагревательным устройством, которое не может быть предоставлено на субстрат, образующий аэрозоль. Устройство для преобразования энергии предпочтительно содержит по меньшей мере один термоэлектрический генератор. Термоэлектрические генераторы, как правило, основаны на принципе Зеебека. По сравнению с тепловыми двигателями, термоэлектрические генераторы не имеют подвижных деталей и являются менее громоздкими.
Предпочтительно устройство для преобразования энергии функционально соединено с электрическим нагревательным устройством для предоставления электрического нагревательного устройства преобразованной электрической энергии. В частности, преобразованная электрическая энергия может подаваться на источник питания, используемый для работы электрического нагревательного устройства. В качестве примера, устройство для преобразования энергии может быть функционально соединено с батареей для подачи преобразованной электрической энергии для целей перезарядки. Разумеется, устройство для преобразования энергии также может быть функционально соединено с другим электрическим компонентом нагревательного узла или устройства, генерирующего аэрозоль. Например, такой компонент может представлять собой глобальный источник питания устройства, генерирующего аэрозоль, такой как глобальная батарея, или контроллер нагревательного узла или контроллер устройства, генерирующего аэрозоль.
Устройство для преобразования энергии может относиться к устройству, генерирующему аэрозоль, или к самому нагревательному узлу.
Устройство для преобразования энергии может быть преимущественно расположено в тепловой близости от реакционной камеры или тепловом контакте с ней. Аналогично первой части элемента теплопередачи устройство для преобразования энергии может быть по меньшей мере частично расположено в реакционной камере или открыто во внутреннее пространство реакционной камеры. Например, устройство для преобразования энергии может представлять собой по меньшей мере часть стенки реакционной камеры. Устройство для преобразования энергии и элемент теплопередачи химического нагревательного устройства могут зажимать реакционную камеру в разных местоположениях или зонах.
Согласно настоящему изобретению также предложено устройство, генерирующее аэрозоль, для генерирования аэрозоля посредством нагревания субстрата, образующего аэрозоль. Для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, устройство, генерирующее аэрозоль, содержит нагревательный узел согласно изобретению и описанный в данном документе.
Дополнительные признаки и преимущества изделия, генерирующего аэрозоль, согласно настоящему изобретению уже были описаны в отношении нагревательному узлу и не будут описаны повторно.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать контроллер, который может представлять собой общий контроллер. Контроллер может быть использован для регулирования температуры субстрата, образующего аэрозоль, в частности, для регулирования температуры субстрата, образующего аэрозоль, до целевой температуры. Контроллер устройства, генерирующего аэрозоль, может содержать или быть контроллером нагревательного узла. Контроллер устройства, генерирующего аэрозоль, также может быть использован для управления или действия на средства управления генерированием первичного тепла, в частности, для управления или действия на управляемую систему подачи. Контроллер устройства, генерирующего аэрозоль, также может быть использован для управления или воздействия на средства управления подачей первичного тепла.
Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать глобальный источник питания, который предпочтительно также используется для подачи на нагревательный узел электрической энергии, в частности, на электрическое нагревательное устройство.
Кроме того, устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать компоненты для приема, размещения и предпочтительно удержания субстрата, образующего аэрозоль. В качестве примера, устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать полость для размещения твердого субстрата, образующего аэрозоль. Подобным образом устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать резервуар для жидкого образующего аэрозоль субстрата. В этом случае устройство, генерирующее аэрозоль, может также содержать жидкий конвейер для транспортировки жидкого субстрата, образующего аэрозоль, например, элемент капиллярно–активной сетки или фитильный элемент. Предпочтительно, жидкий конвейер может быть приведен в контакт или находится в контакте с нагревательным узлом для подачи первичного и вторичного тепла.
Согласно настоящему изобретению также предложен способ генерирования аэрозоля путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль, в частности, с использованием нагревательного узла или устройства, генерирующего аэрозоль, согласно настоящему изобретению и как описано в данном документе. Способ включает по меньшей мере одно из последовательного или параллельного выполнения следующих этапов:
генерирование первичного тепла посредством экзотермической химической реакции и подача первичного тепла на субстрат, образующий аэрозоль, для нагрева субстрата, образующего аэрозоль;
генерирование вторичного тепла с помощью электричества и подача вторичного тепла на субстрат, образующий аэрозоль, для нагрева субстрата, образующего аэрозоль.
В частности, способ согласно настоящему изобретению может включать комбинацию последовательного и параллельного выполнения вышеописанных этапов, т. е. комбинацию последовательного и параллельного использования первичного тепла и вторичного тепла.
Преимущества способа согласно настоящему изобретению были описаны в отношении нагревательного узла и устройства, генерирующего аэрозоль, согласно настоящему изобретению и не будут рассматриваться повторно.
Как уже описано в отношении нагревательного узла, первичное тепло и вторичное тепло могут быть использованы последовательно для последовательного нагрева субстрата, образующего аэрозоль. В частности, первичное тепло и вторичное тепло могут быть использованы для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, во время разных фаз генерирования аэрозоля. Первичное тепло может быть использовано перед использованием вторичного тепла, или наоборот. В целом, способ может включать любую последовательность применения первичного и вторичного тепла, например, последовательность, включающую чередующееся использование первичного тепла и вторичного тепла. Предпочтительно, первичное тепло и вторичное тепло могут быть использованы для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, до разных температур во время разных фаз, что обеспечивает возможность управления генерированием аэрозоля с течением времени. В качестве примера, первичное тепло может быть использовано для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, во время первой фазы генерирования аэрозоля в соответствии с первым температурным профилем, и вторичное тепло может быть использовано для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, во время второй фазы генерирования аэрозоля в соответствии со вторым температурным профилем. Первый и второй профили температуры могут быть такими, чтобы температура повышалась от начальной температуры до первой температуры во время первой фазы, и падала ниже первой температуры, а затем снова повышалась во время второй фазы.
Альтернативно первичное тепло и вторичное тепло могут быть использованы параллельно для комбинированного нагрева субстрата, образующего аэрозоль. В частности, первичное тепло может быть использовано для нагрева субстрата, образующего аэрозоль, до предварительно заданной целевой температуры, и вторичное тепло может быть использовано в дополнение к первичному теплу для дополнительного нагревания субстрата, образующего аэрозоль, до целевой температуры выше предварительно заданной целевой температуры.
Аналогично нагревательному узлу, способ может дополнительно включать этап регулирования температуры субстрата, образующего аэрозоль, до целевой температуры путем управления по меньшей мере генерированием вторичного тепла. Подобным образом способ может дополнительно включать этап преобразования тепла из экзотермической химической реакции в электрическую энергию и предоставления или использования преобразованной электрической энергии для генерирования вторичного тепла с помощью электричества.
Способ может дополнительно включать этап управления по меньшей мере одним из генерирования или подачи первичного тепла. Генерированием первичного тепла можно управлять, например, путем управления подачей по меньшей мере одного реагирующего вещества экзотермической химической реакции. Подача первичного тепла может управляться с помощью средств, как описано выше в отношении нагревательного узла.
Способ может дополнительно включать этап управления подачей по меньшей мере одного из первичного тепла и вторичного тепла на субстрат, образующий аэрозоль.
Далее настоящее изобретение будет описано лишь на примере, со ссылками на сопроводительные графические материалы, где:
на фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация устройства, генерирующего аэрозоль, содержащая гибридный нагревательный узел согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 представлена схематическая иллюстрация устройства, генерирующего аэрозоль, содержащего гибридный нагревательный узел согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 3 показано поперечное сечение через часть гибридного нагревательного узла согласно фиг. 1 и фиг. 2;
на фиг. 4 представлена схематическая иллюстрация устройства, генерирующего аэрозоль, содержащего гибридный нагревательный узел согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения; и
на фиг. 5–8 показаны детали гибридного нагревательного узла согласно фиг. 4.
На фиг. 1 схематически показано устройство 1, генерирующее аэрозоль, содержащее нагревательный узел 10 согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Нагревательный узел 10 содержит два нагревательных устройства, химическое нагревательное устройство 200 и электрическое нагревательное устройство 100 для совместного нагрева субстрата, образующего аэрозоль. Химическое нагревательное устройство 200 обеспечивает первичное тепло посредством экзотермической химической реакции для предварительного нагрева субстрата, образующего аэрозоль, до предварительно заданной целевой температуры, которая ниже целевой температуры субстрата, образующего аэрозоль, для образования аэрозоля. Для достижения целевой температуры электрическое нагревательное устройство 100 подает вторичное тепло в дополнение к первичному источнику тепла. Благодаря высокой плотности энергии экзотермических химических реакций, химическое нагревательное устройство предпочтительно предоставляет большее количество тепла для грубого регулирования температуры, в то время как электрическое нагревательное устройство предпочтительно обеспечивает меньшее количество тепла, используемого для тонкого регулирования температуры.
В отношении варианта осуществления согласно фиг. 1, химическое нагревательное устройство 200 представляет собой каталитический нагреватель, выполненный с возможностью генерирования первичного тепла посредством катализируемого сжигания топлива в реакционной камере 201. Для этого топливо предусмотрено в резервуаре для реагирующих веществ или топливном баке 202, которое сообщается по текучей среде с реакционной камерой 201 через дозирующую трубку 204. Топливный резервуар 202 может быть повторно заправляемым через впускное отверстие для заполнения (не показано). Химическое нагревательное устройство 200 также содержит нажимное средство 208 для нагнетания топлива в топливном резервуаре 208, приводящее к тому, что давление в топливном баке 202 будет выше, чем в реакционной камере 201, при этом последний обычно имеет атмосферное давление. Вследствие этого топливо автоматически выдают через трубку 204 раздаточного устройства в реакционную камеру 201 при открытии клапана 203, который выполнен с возможностью управления потоком топлива из резервуара 202 в реакционную камеру 201.
Помимо впускного отверстия для раздаточного устройства 204, реакционная камера 201 содержит впускные отверстия 207 для воздуха для подачи кислорода в каталитическую реакцию. Кроме того, реакционная камера 201 содержит выпускные отверстия 206 для разгрузки воды и отработавших газов каталитической реакции в окружающую среду.
Между реакционной камерой 201 и топливным резервуаром 202 предусмотрена термическая перегородка 205 для термического экранирования таким образом, чтобы резервуар для топлива и другие компоненты за пределами тепловой перегородки 205 оставались при приемлемых температурах.
В реакционной камере 201 топливо сжигается посредством катализатора экзотермической реакции с образованием таким образом первичного тепла для нагрева субстрата, образующего аэрозоль.
Топливо может представлять собой любое органическое соединение, способное подавать энергию за счет его окисления. Например, топливо может содержать одно из следующего: короткоцепочечный спирт (метанол, этанол, пропанол или изопропанол, а также бутанол и изомеры), кетон, альдегид или карбоновая кислота, которые легко окисляются. Каталитические горючие газы могут содержать, например, одно из водорода, метана, пропана, пентана, эфира, этана или бутана и их изомеров.
Катализатор, применяемый для катализа топлива, может представлять собой катализатор, обладающий высокой реакционной способностью к снижению кислорода. Катализатор может содержать, например, один или более металлов или сплав из одного или более металлов, выбранных из группы, включающей Fe, Co, Ni, Rh, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn и Cd. В частности, катализатор может содержать по меньшей мере один драгоценный металл, по меньшей мере один переходный металл или комбинацию по меньшей мере одного металла и по меньшей мере одного переходного металла, например, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, Ni, Os, Re, Co, Fe, Mn, Ag, Cu. Катализатор может поддерживаться, например, на поверхности подложки в пределах реакционной камеры 201.
Первичное тепло, генерируемое катализируемой экзотермической реакцией смеси топлива и кислорода, передается посредством элемента 210 теплопередачи от реакционной камеры 201 к полости 2, образованной внутри корпуса 3 устройства 1, генерирующего аэрозоль. Полость 2 открыта на ближнем конце устройства 1, генерирующего аэрозоль, для размещения генерирующего аэрозоль изделия, которое содержит субстрат, образующий аэрозоль, подлежащий нагреву. Например, субстрат, образующий аэрозоль, может быть сжат или сформован в штранг, образующий изделие, генерирующее аэрозоль (не показано).
На фиг. 3 показаны дополнительные детали элемента 210 теплопередачи, используемого в варианте осуществления, показанном на фиг. 1 и фиг. 2. Элемент 210 теплопередачи содержит металлическую пластину 214, подаваемую через стенку реакционной камеры 201 рядом с полостью 2. Элемент 210 теплопередачи содержит первую часть 212, которая расположена в реакционной камере 201 и на которой катализируемая экзотермическая реакция предпочтительно выполняется непосредственно для оптимизации теплопередачи. Вторая часть 211 элемента 210 теплопередачи расположена в полости 2, отделенной от реакционной камеры 201. Ближний конец второй части 211 является коническим, что способствует вставке и удержанию генерирующего аэрозоль изделия при его вдавливании внутрь полости 2 корпуса 3. Таким образом, субстрат, образующий аэрозоль, может быть приведен в непосредственный тепловой контакт с катализатором экзотермической реакции, однако без непосредственного контакта с самой реакцией.
Дополнительно ссылаясь на фиг. 1 и 3, элемент 210 теплопередачи содержит керамические колпачки 213, закрывающие металлический сердечник лопатки 214 вдоль второй части 211. Керамические закрывающие элементы 214 обеспечивают электрически непроводящую подложку для поддержки электропроводного нагревательного элемента 103, являющегося частью резистивного нагревательного устройства 100. В настоящем варианте осуществления нагревательный элемент содержит металлические дорожки 103 с обеих сторон элемента 210 теплопередачи в виде лезвия. Для оптимизации теплопередачи на субстрат, образующий аэрозоль, металлические дорожки 103 расположены в зигзагообразной конфигурации. В качестве альтернативы дорожки могут быть расположены в спиральной конфигурации. Для генерирования с помощью тепла нагревательный элемент 103 состоит из резистивного материала. Предпочтительно, металлические дорожки изготовлены из платины.
Дорожки могут быть нагреты до требуемой целевой температуры путем протекания электрического тока. Для этого дорожки с обеих сторон элемента 210 теплопередачи соединены параллельно посредством электрических соединений 102 с блоком 104 питания. В настоящем варианте осуществления источник питания представляет собой перезаряжаемую батарею, например литий–ионную батарею.
Преимущественно нагревательные дорожки 103 могут быть одновременно использованы для измерения температуры на поверхностях элемента 210 теплопередачи, что указывает на действительную температуру субстрата, образующего аэрозоль, прикрепленного к нему. Предполагая, что материал нагревательного элемента 103 имеет подходящий температурный коэффициент сопротивления, температура может быть определена путем измерения сопротивления нагревательного элемента 103, например, путем измерения напряжения на электропроводном нагревательном элементе 103 и тока, проходящего через него. Использование нагревательного элемента в качестве датчика температуры может способствовать уменьшению количества компонентов внутри нагревательного узла 10, поскольку отдельный датчик температуры не потребуется. Однако, в дополнение или в качестве альтернативы, нагревательный узел 10 может также содержать отдельный датчик температуры.
Контроллер 101, такой как блок микроконтроллера, реализованный на электронной схемной плате, может использоваться для регулирования температуры субстрата, образующего аэрозоль. Согласно настоящему изобретению это осуществляется путем регулирования по меньшей мере вторичного тепла, обеспечиваемого нагревательным устройством 100 на верхней части первичного тепла, обеспечиваемого химическим нагревательным устройством 200. Следовательно, контроллер 101 функционально соединен по меньшей мере с электрическим нагревательным устройством 100. В частности, контроллер 101 может быть выполнен с возможностью определения фактической температуры на поверхности элемента 210 теплопередачи путем определения сопротивления, зависящего от температуры, нагревательного элемента 103, как описано выше. Температура на поверхности элемента 210 теплопередачи указывает на действительную температуру субстрата, образующего аэрозоль. На основе сравнения фактической температуры с требуемой целевой температурой субстрата, образующего аэрозоль, или соответствующих температур на элементе теплопередачи, соответственно, контроллер 101 дополнительно выполнен с возможностью управления электрической энергией от источника 104 питания к электронагревательному элементу 103. Электрическая энергия для нагревания предпочтительно подается прерывисто на нагревательный элемент 103. Предпочтительно, управление вторичным теплом для тонкого регулирования температуры субстрата, образующего аэрозоль, является управлением с обратной связью.
Контроллер 101 также может использоваться для управления перезарядкой источника 104 питания, например, перезарядки батареи от внешнего источника питания. Контроллер также может быть использован для управления генерированием первичного тепла, например, путем управления топливным клапаном 203, тем самым регулируя количество топлива, подлежащего распылению из топливного резервуара 202 в реакционную камеру 201. Для этого контроллер 101 может осуществлять доступ к таблице (например, хранящейся в блоке памяти контроллера 101), которая содержит предварительно откалиброванные значения расхода топлива в зависимости от генерированного первичного тепла в реакционной камере 201. Дополнительно или в качестве альтернативы, контроллер 101 может также воздействовать на впускное отверстие 207 для воздуха для модулирования подачи кислорода в реакционную камеру 201. Генерирование первичного тепла ограничено предварительно заданной целевой температурой, которая значительно ниже фактической целевой температуры, так что полное отключение вторичного тепла будет достаточным для легкого снижения фактической температуры до приемлемой температуры в случае перегрева. Предпочтительно, предварительно заданная целевая температура составляет приблизительно 250 °C, тогда как целевая температура обычно составляет от 300 °C до 350 °C.
В целом, контроллер 101 и/или источник 104 питания могут быть или частью нагревательного узла 10, или общим устройством 1, генерирующим аэрозоль.
На фиг. 2 представлено устройство 1, генерирующее аэрозоль, содержащее нагревательный узел 10 согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Основная идея генерирования и подачи первого и второго тепла на субстрат, образующий аэрозоль, подобна первому варианту осуществления согласно фиг. 1. Следовательно, идентичные признаки обозначаются идентичными ссылочными номерами, если не указано иное.
В отличие от первого варианта осуществления согласно фиг. 1, нагревательный узел согласно второму варианту осуществления содержит устройство 107 для преобразования энергии для преобразования тепла, генерируемого химическим нагревательным устройством 200, в электрическую энергию. В настоящем варианте осуществления устройство 107 для преобразования энергии может содержать по меньшей мере один термоэлектрический генератор, способный генерировать электричество из температурного градиента на основе принципа Зеебека. Такой термоэлектрический генератор обычно известен из уровня техники. Для этого термоэлектрический генератор может быть расположен между топливным резервуаром и реакционной камерой вместо тепловой перегородки 205 в первом варианте осуществления согласно фиг. 1. В качестве альтернативы или дополнительно, термоэлектрический генератор может быть расположен сбоку прикрепленным к реакционной камере, имеющей свою «холодную» сторону, обращенную наружу от реакционной камеры 201.
Предпочтительно, электрическая энергия, генерируемая устройством 107 для преобразования энергии, подается в источник 104 питания нагревательного узла 10 общего устройства 1, генерирующего аэрозоль. В настоящем варианте осуществления нагревательный узел 10 содержит зарядное устройство 105 батареи, использующее электричество, обеспечиваемое устройством 107 для преобразования энергии для по меньшей мере частичной перезарядки батареи 104. Для этого зарядное устройство 105 батареи функционально соединено с устройством 107 для преобразования энергии и блоком 104 питания посредством электрических соединений 106.
На фиг. 4, 5, 6, 7 и 8 показано устройство 1, генерирующее аэрозоль, содержащее нагревательный узел 10 согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Основная концепция генерирования и подачи первого и второго тепла на субстрат, образующий аэрозоль, подобна первому и второму варианту осуществления согласно фиг. 1 и фиг. 2. Следовательно, идентичные признаки обозначаются идентичными ссылочными номерами, если не указано иное.
В отличие от вариантов осуществления согласно фиг. 1 и фиг. 2, нагревательный узел 10 согласно данному третьему варианту осуществления содержит чашеобразный элемент 210 теплопередачи.
Элемент 210 теплопередачи содержит первую часть 212 в виде пластины (не показана сверху на фиг. 6 и вид в перспективе по фиг. 8) и полую цилиндрическую вторую часть 211. Первая часть 212 может быть прикреплена к или может образовывать нижнюю часть второй части 211 (см. вид в поперечном сечении на фиг. 5).
Первая часть 212 по меньшей мере частично расположена в реакционной камере 201 или подвержена ее воздействию таким образом, что экзотермическая химическая реакция происходит непосредственно на открытой поверхности первой части 212. Первая часть 212 изготовлена из металла, обеспечивая эффективную передачу первичного тепла на субстрат, образующий аэрозоль, который может быть размещен внутри полой цилиндрической второй части 211.
Вторая часть 211 также вовлечена в передачу первичного тепла. Для этого полая цилиндрическая вторая часть 211 изготовлена из керамического материала, обеспечивая хорошую теплопроводность и высокую теплостойкость.
Как можно видеть, в частности, на виде сбоку на фиг. 7 и перспективном виде на фиг. 8, внешняя поверхность электрически непроводящей второй части 211 поддерживает электрически проводящий нагревательный элемент 103, являющийся частью резистивного нагревательного устройства 100. В настоящем варианте осуществления нагревательный элемент содержит металлическую дорожку 103 (штрих–пунктирная линия на фиг. 4 и фиг. 5), расположенную по окружности с зигзагообразной конфигурации на внешней поверхности второй части 211. Зигзагообразная конфигурация преимущественно оптимизирует теплопередачу от нагревательного элемента 103 к субстрату, образующему аэрозоль, посредством второй части 211. Таким же образом, как и для нагревательных узлов в сборе, показанных на фиг. 1 и фиг. 2, дорожка 103 может нагреваться посредством электрического тока. Для этого дорожка соединена посредством электрических соединений 102 с источником 104 питания.
Чтобы избежать получения контактных ожогов пользователя устройства, в зазоре между наружной поверхностью второй части 211 и внутренней поверхностью полости 2, определенной на дальнем конце корпуса 3 устройства 1, генерирующего аэрозоль, расположен тепловой барьер 108.