Образующая аэрозоль система, использующая эффект вентури для доставки субстрата к нагревательному элементу
Изобретение относится к образующим аэрозоль системам, в которых аэрозоль образуется в результате испарения жидкого субстрата с помощью нагревателя. Образующая аэрозоль система содержит впускное воздушное отверстие (18) и выпускное воздушное отверстие (24); часть (30) для хранения жидкости, удерживающую жидкий образующий аэрозоль субстрат и имеющую выпускное отверстие (38) для жидкости; канал (22) воздушного потока, проходящий от впускного воздушного отверстия к выпускному воздушному отверстию за выпускное отверстие для жидкости, причем этот канал воздушного потока имеет такую форму, чтобы имело место падение давления внутри канала воздушного потока в выпускном отверстии для жидкости, когда воздух протекает от впускного воздушного отверстия к выпускному воздушному отверстию через канал воздушного потока; и нагревательный элемент (26), расположенный в канале воздушного потока между выпускным отверстием для жидкости и выпускным воздушным отверстием, при этом нагревательный элемент перекрывает канал воздушного потока и является проницаемым для текучей среды. Техническим результатом изобретения является усовершенствование образующей аэрозоль системы. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к образующим аэрозоль системам, в которых аэрозоль образуется в результате испарения жидкого субстрата с помощью нагревателя.
Одним типом образующей аэрозоль системы является электронная сигарета. Электронные сигареты обычно функционируют с использованием нагрева образующего аэрозоль субстрата для образования пара. Затем пар охлаждается с образованием аэрозоля. Большинство электронных сигаретных систем использует ту или иную форму удерживающего жидкость материала, такого как губчатый или фитильный материал, для удержания жидкого образующего аэрозоль субстрата и его доставки к нагревателю. В таких системах имеет место ряд проблем, связанных с удерживающим жидкость материалом. По мере высыхания удерживающего жидкость материала меньшее количество жидкости доставляется к нагревателю, что приводит к уменьшению количества доставляемого аэрозоля. Кроме того, удерживающий жидкость материал по мере высыхания становится сильнее подвержен обугливанию или горению. Это может привести к появлению нежелательных компонентов в образующемся аэрозоле. Кроме того, удерживающий жидкость материал повышает стоимость и сложность производственного процесса.
Одно решение для доставки жидкости к нагревателю, которое было предложено и не требует удерживающего жидкость материала, состоит в использовании пьезоэлектрического клапана для доставки капель жидкости, либо с непосредственным образованием аэрозоля, либо с доставкой жидкости к нагревателю. Однако пьезоэлектрические клапаны имеют серьезные недостатки. Пьезлэолектрические клапаны повышают стоимость и сложность системы в еще большей степени, чем удерживающие жидкость материалы, и требуют включения в систему дополнительных электронных схем управления. Капаны потребляют дополнительную мощность, что является существенным фактором для систем, работающих от батареи. Клапаны склонны к поломке и засорению. И, возможно, самым важным соображением для электронных сигаретных систем является то, что применение клапанов приводит к созданию отрегулированной системы, в которой количество жидкости, доставляемой для образования аэрозоля, является предварительно заданным, что создает неприятные ощущения у пользователя. Пользователю, который вдыхает более глубоко, может потребоваться большее количество аэрозоля. В идеале, количество доставляемого аэрозоля должно определяться режимом вдыхания или осуществления затяжек пользователем, как это имеет место в обычной сигарете.
Было бы желательно создать образующую аэрозоль систему, которая доставляет жидкость к нагревателю без использования удерживающего жидкость материала, но при этом не имеет вышеописанных проблем, связанных с пьезоэлектрическим клапаном.
В первом аспекте предложена образующая аэрозоль система, содержащая:
впускное воздушное отверстие и выпускное воздушное отверстие;
часть для хранения жидкости, удерживающую жидкий образующий аэрозоль субстрат и имеющую выпускное отверстие для жидкости;
канал воздушного потока, проходящий от впускного воздушного отверстия к выпускному воздушному отверстию, причем этот канал воздушного потока имеет такую форму, чтобы имело место падение давления внутри канала воздушного потока в выпускном отверстии для жидкости, когда воздух протекает от впускного воздушного отверстия к выпускному воздушному отверстию через канал воздушного потока; и нагревательный элемент, расположенный внутри канала воздушного потока между выпускным отверстием для жидкости и выпускным воздушным отверстием.
Система предпочтительно выполнена таким образом, что когда воздух протекает от впускного воздушного отверстия к выпускному воздушному отверстию через канал воздушного потока, давление в выпускном отверстии для жидкости является более низким, чем давление внутри части для хранения жидкости. Может быть обеспечена возможность уравнивания давления внутри части для хранения жидкости с атмосферным давлением. Система может быть выполнена с возможностью обеспечения давления, более низкого, чем атмосферное давление, в выпускном отверстии для жидкости, когда воздух протекает от впускного воздушного отверстия к выпускному воздушному отверстию через канал воздушного потока. Для обеспечения падения давления в выпускном отверстии для жидкости, канал воздушного потока может иметь суженное поперечное сечение в выпускном отверстии для жидкости относительно впускного воздушного отверстия. Указанное сужение канала воздушного потока приводит к повышению скорости потока и к падению давления воздуха. Это называется эффектом Вентури. В результате снижения давления создается всасывание в выпускном отверстии для жидкости, и жидкость вытягивается наружу из выпускного отверстия для жидкости в воздушный поток. Жидкость, вытянутая в воздушный поток, затем переносится в воздушном потоке к нагревательному элементу, где она испаряется. Поперечное сечение канала воздушного потока в выпускном отверстии для жидкости может также быть сужено относительно выпускного воздушного отверстия. Данная компоновка повышает давление воздуха в выпускном воздушном отверстии относительно выпускного отверстия для жидкости.
Система может содержать образующую аэрозоль камеру в канале воздушного потока между нагревательным элементом и выпускным воздушным отверстием. Образующая аэрозоль камера представляет собой пространство, которое обеспечивает возможность охлаждения и конденсации испаренного образующего аэрозоль субстрата с образованием аэрозоля перед выходом из системы через выпускное воздушное отверстие.
Часть для хранения жидкости обеспечивает герметизированную емкость для образующего аэрозоль субстрата, так что текучая среда не может поступать в эту емкость или выходить из нее иначе, чем через выпускное отверстие для жидкости. Герметизированная емкость обеспечивает, чтобы жидкий образующий аэрозоль субстрат не вытекал из части для хранения жидкости, если только он не выталкивается наружу пониженным давлением в выпускном отверстии для жидкости, когда воздух протекает через канал воздушного потока. Когда жидкость выталкивается наружу через выпускное отверстие для жидкости, она создает пониженное давление внутри части для хранения жидкости. Более высокое давление воздуха снаружи части для хранения жидкости удерживает оставшуюся жидкость внутри части для хранения жидкости.
Величина падения давления в канале воздушного потока зависит не только от геометрических параметров канала воздушного потока, но также и от скорости воздушного потока через этот канал воздушного потока. Чем выше скорость воздушного потока, тем больше падение давления. Чем больше падение давления, тем больший объем жидкого образующего аэрозоль субстрата выталкивается наружу в воздушный поток. Таким образом, чем выше скорость воздушного потока через систему, тем больше общая масса частиц (total particulate mass, ТРМ) образуемого аэрозоля. В системе, активируемой затяжками, это означает, что пользователь, который осуществляет затяжки более глубоко, будет получать большее количество аэрозоля, чем пользователь, который осуществляет затяжки менее глубоко.
Предпочтительно, часть для хранения жидкости содержит воздушный карман при давлении, меньшем атмосферного давления. Лишь в том случае, если давление в выпускном отверстии для жидкости ниже, чем давление воздуха внутри части для хранения жидкости, будет происходить выталкивание жидкости наружу в воздушный поток. Часть для хранения жидкости может быть выполнена таким образом, что когда воздух не протекает через канал воздушного потока от впускного воздушного отверстия к выпускному воздушному отверстию, воздух может поступать внутрь части для хранения жидкости через отверстие выпуска жидкости для уравнивания давления воздуха внутри и снаружи части для хранения жидкости. Это гарантирует, что по мере снижения количества жидкого образующего аэрозоль субстрата внутри части для хранения жидкости, не будет происходить постепенное затруднение вытягивания жидкости наружу в воздушный поток, если имеют место перерывы между периодами протекания воздушного потока, например между вдохами пользователя.
В качестве альтернативы или дополнительно, часть для хранения жидкости может содержать клапан выпуска низкого давления, который при своем нахождении в открытом положении, но не в закрытом положении обеспечивает возможность поступления воздуха внутрь части для хранения жидкости. Указанный клапан может быть выполнен с возможностью перемещения в открытое положение, когда разность давлений на этом клапане превысила порог по давлению. Система может быть выполнена таким образом, чтобы управление с целью расположения указанного клапана в закрытом положении осуществлялось при предварительно заданной скорости воздушного потока через канал воздушного потока, например при осуществлении пользователем затяжки на выпускном воздушном отверстии. Система может быть выполнена таким образом, чтобы клапан находился в открытом положении для уравнивания давления воздуха внутри и снаружи части для хранения жидкости между затяжками, осуществляемыми пользователем.
Часть для хранения жидкости может содержать кольцевой корпус, и указанный канал воздушного потока может проходить через этот кольцевой корпус. Таким образом обеспечивается возможность создания симметричной и компактной системы.
Площадь поперечного сечения канала воздушного потока и величина, на которую он сужается в выпускном отверстии для жидкости, могут выбираться таким образом, чтобы обеспечить соответствие конкретным требованиям к системе. В предпочтительном варианте осуществления площадь поперечного сечения впускного воздушного отверстия составляет от 1 мм2 до 3,5 мм2, и площадь поперечного сечения канала воздушного потока в выпускном отверстии для жидкости составляет от 0,1 мм2 до 0,9 мм2. Канал воздушного потока может иметь любую необходимую форму поперечного сечения, такую как круглая или овальная. Канал воздушного потока может иметь такую форму, чтобы способствовать ламинарному воздушному потоку. В качестве альтернативы или дополнительно, канал воздушного потока может содержать ударные поверхности для содействия диффузии жидкости или аэрозоля. Канал воздушного потока может быть выполнен с возможностью обеспечения падения давления, составляющего по меньшей мере 250 Па, при типовой затяжке, осуществляемой пользователем.
Выпускное отверстие для жидкости может быть кольцевым и оно может окружать канал воздушного потока. В качестве альтернативы, канал воздушного потока может быть кольцевым и он может окружать выпускное отверстие для жидкости. Размер выпускного отверстия для жидкости имеет непосредственное влияние на количество жидкости, доставляемой внутрь канала воздушного потока.
Нагревательный элемент расположен в канале воздушного потока. Нагревательный элемент может перекрывать канал воздушного потока и быть проницаемым для текучей среды, так что воздушный поток должен пройти через нагревательный элемент, чтобы достичь выпускного воздушного отверстия. Нагревательный элемент может содержать сетку, матрицу или ткань из нагревательных нитей.
В качестве альтернативы, нагревательный элемент или множество нагревательных элементов могут окружать канал воздушного потока или проходить частично поперек канала воздушного потока.
Нагревательный элемент может функционировать за счет резистивного нагрева, при этом через нагревательный элемент пропускается электрический ток для генерирования тепла. В качестве альтернативы, нагревательный элемент может нагреваться за счет индукционного нагрева. В качестве альтернативы, нагревательный элемент может нагреваться за счет теплопередачи от другого источника тепла, такого как химический источник тепла. Нагревательный элемент может представлять собой часть нагревательного узла, содержащего, например, электрические контактные площадки и электроизолирующую подложку.
Материал или материалы, выбираемые для нагревательного элемента, могут зависеть от его режима работы. В предпочтительных вариантах осуществления нагревательный элемент выполнен с возможностью резистивного нагрева и содержит сетку, матрицу или ткань из электропроводных нитей. Электропроводные нити могут образовывать промежутки между нитями, и эти промежутки могут иметь ширину от 10 мкм до 100 мкм.
Электропроводные нити могут образовывать сетку 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. Относительная открытая площадь сетки, которая представляет собой соотношение площади указанных промежутков к общей площади сетки, предпочтительно составляет от 25 до 56%. Сетка может быть образована с использованием различных 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.
Площадь сетки, матрицы или ткани из электропроводных нитей может быть небольшой, предпочтительно ― не более 25 мм2, что обеспечивает возможность их включения в удерживаемую рукой систему. Сетка, матрица или ткань из электропроводных нитей может иметь, например, прямоугольную форму, и ее размеры могут составлять 5 мм на 2 мм. Предпочтительно, сетка или матрица из электропроводных нитей занимает площадь, составляющую от 10% до 50% площади нагревательного узла. Более предпочтительно, сетка или матрица из электропроводных нитей занимает площадь, составляющую от 15 до 25% площади нагревательного узла.
Указанные нити могут быть образованы путем травления листового материала, такого как фольга. Это может быть особенно полезно в случае, если нагревательный узел содержит матрицу из параллельных нитей. Если нагревательный элемент содержит сетку или ткань из нитей, эти нити могут быть образованы по отдельности и связаны вместе.
Нити нагревательного элемента могут быть образованы из любого материала с подходящими электрическими свойствами. Подходящие материалы включают в себя, но без ограничения: полупроводники, такие как легированная керамика, «электропроводная» керамика (например такая, как 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 в себя легированные карбиды кремния. Примеры подходящих металлов включают в себя титан, цирконий, тантал и металлы из платиновой группы. Примеры подходящих сплавов металлов включают в себя 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 и сплавы на основе железа, марганца и алюминия. Timetal® представляет собой зарегистрированную торговую марку компании Titanium Metals Corporation. Нити могут быть покрыты одним или более изоляторами. Предпочтительными материалами для электропроводных нитей являются нержавеющие стали марок 304, 316, 304L, 316L и графит.
Нагревательный узел может содержать электроизолирующую подложку, на которой поддерживаются нити. Электроизолирующая подложка может содержать любой подходящий материал, и предпочтительно, чтобы этот материал был способен выдерживать высокие температуры (свыше 300oC) и резкие изменения температуры. Примером подходящего материала является полиимидная пленка, такая как Kapton®. Электроизолирующая подложка может иметь образованное в ней отверстие с проходящими поперек этого отверстия электропроводными нитями. Нагревательный узел может содержать электрические контакты, соединенные с электропроводными нитями.
Электрическое сопротивление сетки, матрицы или ткани из электропроводных нитей нагревательного элемента предпочтительно составляет от 0,3 до 4 Ом. Более предпочтительно, электрическое сопротивление сетки, матрицы или ткани из электропроводных нитей составляет от 0,5 до 3 Ом, и более предпочтительно - примерно 1 Ом. Электрическое сопротивление сетки, матрицы или ткани из электропроводных нитей составляет предпочтительно по меньшей мере на порядок и более предпочтительно ― по меньшей мере на два порядка больше, чем электрическое сопротивление контактных участков. Это обеспечивает локализацию тепла, генерируемого в результате прохождения 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 подачи высокой мощности на нагревательный элемент. Это обеспечивает возможность быстрого нагрева нагревательным элементом электропроводных нитей до необходимой температуры.
Первый и второй электропроводные контактные участки могут быть непосредственно прикреплены к электропроводным нитям. Контактные участки могут быть расположены между электропроводными нитями и электроизолирующей подложкой. Например, контактные участки могут быть образованы из медной фольги, которая нанесена на изолирующую подложку. Контактные участки могут также быть связаны с нитями более простым способом, чем с использованием изолирующей подложки.
В качестве альтернативы, первый и второй электропроводные контактные участки могут представлять собой единое целое с электропроводными нитями. Например, нагревательный элемент может быть выполнен путем травления проводящего листа с образованием множества нитей между двумя контактными участками.
Система может содержать фильтрующую прокладку, например фильтрующую прокладку от компании Cambridge Filter, расположенную дальше по ходу потока относительно нагревательного элемента. Фильтрующая прокладка может находиться в контакте с нагревательным элементом. Это может способствовать предотвращению утечек жидкости через выпускное воздушное отверстие и удалению любого нежелательного материала в виде частиц из аэрозоля.
Нагревательный элемент может содержать по меньшей мере одну нить, изготовленную из первого материала, и по меньшей мере одну нить, изготовленную из второго материала, отличного от первого материала. Это может быть полезно по электрическим или механическим причинам. Например, одна или более нитей могут быть образованы из материала, сопротивление которого сильно изменяется в зависимости от температуры, такого как сплав железа и алюминия. Таким образом обеспечивается возможность использования величины сопротивления нитей для определения температуры или изменений температуры. Это может быть использовано в системе с обнаружением затяжек и для регулирования температуры нагревательного элемента с целью ее поддержания в пределах необходимого температурного диапазона. Резкие изменения температуры могут также использоваться в качестве показателя для обнаружения изменений воздушного потока после нагревательного элемента в результате осуществления пользователем затяжек на системе.
Система может содержать часть в виде одноразового картриджа и часть в виде устройства, причем картридж содержит часть для хранения жидкости. Как только жидкий образующий аэрозоль субстрат внутри части для хранения жидкости полностью израсходован, картридж выбрасывают и заменяют его на новый картридж.
Картридж может содержать нагревательный элемент. В качестве альтернативы, нагревательный элемент может быть выполнен в виде части устройства.
Система может содержать мундштучную часть, выполненную с возможностью ее размещения во рту пользователя. Выпускное воздушное отверстие может быть расположено в мундштучной части. Мундштучная часть может представлять собой часть картриджа или часть устройства, или она может представлять собой отдельную часть. Одноразовый мундштук может быть выполнен как составная часть мундштучной части. Одноразовый мундштук может быть мягким и создавать ощущение фильтра обычной сигареты.
Система может дополнительно содержать электрическую схему, соединенную с узлом нагревательного элемента и с источником электропитания, при этом электрическая схема выполнена с возможностью контроля электрического сопротивления нагревательного элемента или одной или более нитей нагревательного элемента и с возможностью управления подачей питания на нагревательный элемент в зависимости от электрического сопротивления этого нагревательного элемента или указанных одной или более нитей.
Электрическая схема может содержать микропроцессор, который может представлять собой программируемый микропроцессор. Электрическая схема может содержать дополнительные электронные компоненты. Электрическая схема может быть выполнена с возможностью регулирования подачи питания на нагревательный элемент. Подача питания на нагревательный элемент может осуществляться непрерывно после активации системы, или она может осуществляться прерывисто, например от затяжки к затяжке. Подача питания на нагревательный элемент может осуществляться в виде импульсов электрического тока.
Система предпочтительно содержит источник питания, обычно батарею, внутри основной части корпуса. В качестве альтернативы, источник питания может представлять собой другой тип устройства накопления заряда, такой как конденсатор. Источник питания может нуждаться в перезарядке и он может иметь емкость, которая обеспечивает возможность накопления достаточной энергии для одного или более сеансов курения; например, источник питания может иметь достаточную емкость для того, чтобы обеспечить возможность непрерывного образования аэрозоля в течение примерно 6-минутного периода времени, соответствующего типовому времени, требующемуся для выкуривания обычной сигареты, или в течение периода времени, в целое число раз большего 6 минут. В другом примере источник питания может иметь достаточную емкость для того, чтобы обеспечить возможность осуществления предварительно заданного количества затяжек или отдельных активаций нагревательного элемента.
Предпочтительно, образующая аэрозоль система содержит корпус. Предпочтительно, корпус является удлиненным. Корпус может содержать любой подходящий материал или комбинацию материалов. Примеры подходящих материалов включают в себя металлы, сплавы, пластмассы или композитные материалы, содержащие один или более из вышеперечисленных материалов, или термопластики, пригодные для применения в пищевой или фармацевтической промышленности, например полипропилен, полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиэтилен. Предпочтительно, указанный материал является легким и нехрупким.
Предпочтительно, образующая аэрозоль система является портативной. Образующая аэрозоль система может иметь размер, сопоставимый с размером обычной сигары или сигареты. Курительная система может иметь общую длину от примерно 30 мм до примерно 150 мм. Курительная система может иметь внешний диаметр от примерно 5 мм до примерно 30 мм.
Образующий аэрозоль субстрат представляет собой субстрат, способный высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Указанные летучие соединения могут высвобождаться в результате нагрева образующего аэрозоль субстрата. Образующий аэрозоль субстрат может содержать материал растительного происхождения. Образующий аэрозоль субстрат может содержать табак. Образующий аэрозоль субстрат может содержать табакосодержащий материал, содержащий летучие табачные ароматические соединения, которые высвобождаются из образующего аэрозоль субстрата при нагреве. Образующий аэрозоль субстрат может в качестве альтернативы может содержать материал, не содержащий табака. Образующий аэрозоль субстрат может содержать гомогенизированный материал растительного происхождения. Образующий аэрозоль субстрат может содержать гомогенизированный табачный материал. Образующий аэрозоль субстрат может содержать по меньшей мере один образователь аэрозоля. Образователь аэрозоля представляет собой любое подходящее известное соединение или смесь соединений, которые при использовании способствуют образованию плотного и стабильного аэрозоля и которые при рабочей температуре системы являются по существу устойчивыми к термической деградации. Подходящие образователя аэрозоля хорошо известны из уровня техники и включают в себя, но без ограничения: многоатомные спирты, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и глицерин; сложные эфиры многоатомных спиртов, такие как глицерол моно-, ди- или триацетат; и алифатические сложные эфиры моно-, ди- или поликарбоновых кислот, такие как диметилдодекандиоат и диметилтетрадекандиоат. Предпочтительные образователя аэрозоля представляют собой многоатомные спирты или их смеси, такие как триэтиленгликоль, 1,3-бутандиол и, наиболее предпочтительно, глицерин или пропиленгликоль. Образующий аэрозоль субстрат может содержать другие добавки и ингредиенты, такие как ароматизаторы. В одном примере образующий аэрозоль субстрат содержит смесь глицерина, пропиленгликоля (ПГ), воды, ароматизаторов и никотина. В предпочтительном варианте осуществления образующий аэрозоль субстрат содержит примерно 40 об.% ПГ, 40 об.% глицерина, 18 об.% воды и 2 об.% никотина. Это вещество имеет вязкость 20 Па•с.
Во втором аспекте предложен картридж для использования в образующей аэрозоль системе, содержащий:
впускное воздушное отверстие и выпускное воздушное отверстие;
часть для хранения жидкости, удерживающую жидкий образующий аэрозоль субстрат и имеющую выпускное отверстие для жидкости; и
канал воздушного потока, проходящий от впускного воздушного отверстия к выпускному воздушному отверстию, причем этот канал воздушного потока имеет такую форму, чтобы имело место падение давления внутри канала воздушного потока в выпускном отверстии для жидкости, когда воздух протекает от впускного воздушного отверстия к выпускному воздушному отверстию через канал воздушного потока.
Картридж может содержать нагревательный элемент, расположенный в канале воздушного потока между выпускным отверстием для жидкости и выпускным воздушным отверстием. Нагревательный элемент может быть таким же, что и нагревательный элемент, описанный выше со ссылкой на первый аспект настоящего изобретения.
Картридж может содержать электрические контакты, выполненные с возможностью контакта с соответствующими элементами на устройстве, с которым взаимодействует картридж, чтобы обеспечить возможность подачи электрического тока на нагревательный элемент от источника питания в устройстве.
В третьем аспекте настоящего изобретения предложен способ образования аэрозоля из жидкого образующего аэрозоль субстрата, включающий в себя этапы, на которых:
обеспечивают часть для хранения жидкости, имеющую выпускное отверстие для жидкости;
обеспечивают канал воздушного потока после выпускного отверстия для жидкости;
вытягивают жидкий образующий аэрозоль субстрат наружу из выпускного отверстия для жидкости внутрь канала воздушного потока путем создания падения давления воздушного потока в выпускном отверстии для жидкости, транспортируют жидкость в воздушном потоке к нагревательному элементу в канале воздушного потока и с помощью нагревательного элемента испаряют жидкость с образованием пара;
охлаждают пар с образованием аэрозоля.
Признаки, описанные в отношении одного аспекта, могут быть в равной степени применены и к другим аспектам настоящего изобретения. В частности, конкретные признаки части для хранения жидкости, канала воздушного потока, нагревательного элемента и образующего аэрозоль субстрата, описанных в отношении первого аспекта, могут быть в равной степени применены ко второму аспекту и третьему аспекту.
Варианты осуществления настоящего изобретения будут далее описаны исключительно на примерах со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан схематичный вид в поперечном сечении системы согласно первому варианту осуществления;
на фиг. 2 показан вид в поперечном сечении картриджа по фиг. 1;
на фиг. 3 показан вид в разобранном состоянии картриджа по фиг. 2; и
на фиг. 4 показан вид в горизонтальном сечении картриджа по фиг. 2.
На фиг. 1 показан схематичный вид в поперечном сечении образующей аэрозоль системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Система, показанная на фиг. 1, представляет собой электрически управляемую, удерживаемую рукой курительную систему, часто именуемую электронной сигаретой. Система содержит устройство 10 и картридж 20, которые вместе с одноразовым мундштуком 50 образуют курительную систему.
Устройство содержит корпус 12, заключающий в себе батарею 14, такую как литий-железо-фосфатная батарея, управляющую электронную схему 16, полость 15 для размещения части картриджа 20 и впускные воздушные отверстия 18. Устройство имеет круглое поперечное сечение и содержит множество впускных воздушных отверстий 18, расположенных по окружности корпуса 12 устройства. Полость 15 имеет винтовую резьбу (не показана) для взаимодействия с соответствующей винтовой резьбой на картридже 20. Однако следует иметь в виду, что может использоваться множество других типов соединения между картриджем и устройством. Батарея 14 и управляющая электронная схема 16 обеспечивают подачу электропитания на картридж через электрические соединения (не показаны), как будет описано ниже. Как и в предыдущем случае, может использоваться любой тип соединения для обеспечения электрического контакта между картриджем и устройством, такой как замковое соединение, соединение с натягом или байонетное соединение.
На фиг. 1 картридж 20 показан в состоянии соединения с устройством 10, однако на фиг. 2, 3 и 4 он показан отдельно и более подробно.
Картридж 20 имеет внешний корпус 21 картриджа. Внутри внешнего корпуса 21 картриджа расположена часть 30 для хранения жидкости, имеющая корпус 34 для хранения жидкости. Корпус части для хранения жидкости является кольцевым, и через его центр проходит канал 22 воздушного потока. Канал воздушного потока имеет впускной конец, который имеет сужающуюся часть 40, так что канал воздушного потока внутри корпуса части для хранения жидкости сужен по отношению к воздушному потоку через этот впускной конец. Отверстие во впускной пластине 41 имеет радиус 1 мм, в то время как канал воздушного потока внутри корпуса для хранения жидкости имеет радиус 0,375 мм.
Между внутренней и внешней стенками корпуса 34 для хранения жидкости удерживается резервуар для жидкого образующего аэрозоль субстрата. Внутрь резервуара проходит втулка 32, образуя суженный канал 36 потока жидкости для подачи жидкости из резервуара к выпускному отверстию 38 для жидкости в канале воздушного потока. Выпускное отверстие 38 для жидкости является по существу кольцевым, как показано на фиг. 4. Внутренний диаметр выпускного отверстия для жидкости в основании части для хранения жидкости составляет примерно 1,5 мм, а внешний диаметр выпускного отверстия для жидкости составляет примерно 1,75 мм. В основании резервуара образованы небольшие щели или отверстия (не показаны) для правильного размещения указанной втулки и обеспечения центрирования этой втулки относительно резервуара.
Посредством втулки образован канал воздушного потока непосредственно после выпускного отверстия для жидкости по ходу потока, и этот канал расширяется на участке 42 расширения.
На втулке 32 дальше по ходу потока относительно выпускного отверстия для жидкости поддерживается нагревательный элемент 26. Нагревательный элемент представляет собой сетку, изготовленную из нержавеющей стали марки 304L, с размером сетки, составляющим примерно 400 меш по стандарту США (примерно 400 нитей на дюйм). Указанные нити имеют диаметр примерно 16 мкм. Сетка соединена с электрическими контактами 46, которые изготовлены из меди. Электрические контакты 32 выполнены на полиимидной подложке 44. Между нитями, образующими сетку, образованы промежутки. Указанные промежутки в данном примере имеют ширину примерно 37 мкм, хотя могут быть использованы промежутки большей или меньшей величины. Открытая площадь сетки, т.е. соотношение площади промежутков к общей площади сетки, предпочтительно составляет от 25 до 56%. Общее сопротивление нагревательного узла составляет примерно 1 Ом. Сетка обеспечивает основную часть данного сопротивления, так что основная часть тепла генерируется сеткой. В данном примере сетка имеет электрическое сопротивление, которое более чем в 100 раз выше, чем у электрических контактов 46.
Дальше по ходу потока относительно нагревателя расположена образующая аэрозоль камера 28. Образующая аэрозоль камера 28 представляет собой область, в которой пар от нагревателя может охлаждаться и конденсироваться с образованием аэрозоля перед выходом через выпускное воздушное отверстие 24 в рот пользователя.
Как лучше всего видно на фиг. 3, внешний корпус картриджа образован из двух частей с возможностью их сборки. Нижняя часть 21а корпуса картриджа поддерживает часть для хранения жидкости, втулку и нагревательный узел. Верхняя часть 21b корпуса картриджа образует мундштучную часть картриджа и поддерживает образующую аэрозоль камеру и выпускное воздушное отверстие 24. Вокруг верхней части корпуса картриджа расположен одноразовый мундштук 50, как показано на фиг. 1. Верхняя и нижняя части корпуса картриджа крепятся друг к другу с помощью пары резьбовых болтов 23 и соответствующих гаек (не показаны).
Корпус картриджа и корпус устройства могут содержать любой подходящий материал или комбинацию материалов. В данном примере использованы полипропилен и полиэфирэфиркетон (РЕЕК).
Съемный мундштук 50 по своему внешнему виду и вызываемым ощущениям может имитировать фильтр обычной сигареты. Например, съемный мундштук 50 может быть изготовлен из ацетилцеллюлозы, резины или пластмассы, такой как полиэтилен или полипропилен или смесь того и другого, и может быть покрыт слоем бумаги.
При использовании, когда пользователь осуществляет затяжку на мундштучной части, воздух втягивается через канал воздушного потока из впускных воздушных отверстий 18 к выпускному воздушному отверстию 24. Воздух втягивается через канал воздушного потока после выпускного отверстия для жидкости и через нагреватель в образующую аэрозоль камеру. Давление воздушного потока в выпускном отверстии для жидкости является более низким, чем атмосферное давление, и значительно более низким, чем давление воздуха 35 внутри части для хранения жидкости. Эта разность давлений приводит к вытягиванию жидкого образующего аэрозоль субстрата наружу через выпускное отверстие для жидкости внутрь канала воздушного потока.
Примерный объем жидкости, вытягиваемой внутрь канала воздушного потока через выпускное отверстие для жидкости, может быть вычислен на основе уравнения Пуазейля. Для простоты вычисления предположим, что имеет место 1-секундная затяжка объемом 40 мл.
Скорость воздуха, проходящего через несуженную часть и суженную часть канала воздушного потока, вычисляется следующим образом:
Скорость(2): (40 мм3 * 103)/[3,14 * (1 мм)2]=12,7 * 103 мм/с
Скорость(1): (40 мм3 * 103)/[3,14 * (0,375 мм)2]=90 * 103 мм/с
На основе этих скоростей может быть вычислена разность давлений:
P2-P1=ρ/2 (ν22 - ν12)=½ (902-12,72)=примерно 4000 кг мм-1 с-2
В данном примере капли жидкости поступают по кольцевой трубке шириной 0,25 мм, чья «эквивалентная площадь» для картриджа может быть оценена путем умножения длины окружности кольца (2*π*r=2 * π * 1мм) на его ширину, составляющую 0,25 мм:
Примерная площадь (доставки жидкости)=2πr * ширина=2 * 3,14 * 1 * 0,25мм=1,57 мм2
Таким образом, «эквивалентный радиус», для простоты оценки величины доставки жидкости, составляет:
(1,57/π)0,5=0,75 мм
Вязкость жидкости для жидкого образующего аэрозоль субстрата может быть оценена для жидкостной композиции, в данном примере:
пропиленгликоль (52%), глицерин (20%), вода (15%) и никотин (5%)
Примерно: 0,6 * 52+0,2 * 1,4+0,15*1,0022+0,05 * 1,004=32 Па с
В завершение, величина доставки жидкости может быть вычислена с использованием разности давлений (ΔP), эквивалентного радиуса (r), вязкости жидкости (μ) и длины (L) потока жидкости:
Q=(ΔP* πr4)/(8 μ L)=[4000* π*(0,75 * 10-3)4]/(8 * 32 * 14)=от 0,8 мм3 с-1 до 1 мм3 s-1.
Можно видеть, что ключевыми параметрами для определения величины доставки капель являются площадь поверхности выпускного отверстия для жидкости в картридже, падение давления в выпускном отверстии для жидкости и длина канала потока жидкости. Канал потока жидкости до некоторой степени органичен общей длиной картриджа, и в случае удерживаемой рукой системы было бы желательно, чтобы его длина составляла от 10 мм до 30 мм. Из указанного уравнения можно также видеть, что вязкость жидкого образующего аэрозоль субстрата тоже является важным фактором, так что в случае повышения вязкости жидкости, для того, чтобы достигнуть той же самой величины доставки, пришлось бы менять размеры выпускного отверстия для жидкости и/или канала жидкости.
Жидкий образующий аэрозоль субстрат переносится в воздушном потоке к сетчатому нагревательному элементу. Сетчатый нагревательный элемент, который может активироваться согласно с обнаружением затяжек, осуществляемых пользователем, испаряет жидкий образующий аэрозоль субстрат, когда последний контактирует с нагревательным элементом или проходит через него. После этого испаренный субстрат и нагретый воздух проходят внутрь образующей аэрозоль камеры, где охлаждаются с образованием аэрозоля. Затем аэрозоль вытягивается наружу через выпускное воздушное отверстие 24 в рот пользователя.
Когда пользователь осуществляет затяжку на системе и жидкость вытягивается наружу из части для хранения жидкости, происходит падение давления внутри этой части для хранения жидкости. С целью обеспечения устойчивой доставки жидкости от затяжки к затяжке, предпочтительно обеспечивают возможность возврата давления внутри части для хранения жидкости к первоначальному давлению, обычно ― к атмосферному давлению, между затяжками. Выпускное отверстие для жидкости может быть достаточно велико для того, чтобы между затяжками была обеспечена возможность поступления воздушных пузырьков внутрь части для хранения жидкости. В качестве альтернативы, в часть для хранения жидкости может быть включен клапан 48 сброса давления, который открывается, когда разность давлений между внутренней областью части для хранения жидкости и внешней областью части для хранения жидкости превысила пороговую разность давлений. Это проиллюстрировано на фиг. 2 и 3. Клапан 48 сброса давления может управляться таким образом, чтобы он оставался закрытым во время каждой затяжки, осуществляемой пользователем.
Вышеописанная система имеет ряд преимуществ над существующими системами. Она является механически прочной системой, которая не требует намотки нагревателя вокруг гибкого фитильного материала. Она исключает возможность горения или обугливания капиллярного материала при контакта с нагревательным элементом. Она исключает необходимость в удерживающем жидкость материале и таким образом снижает производственные затраты и количество технологических операций. Она также исключает потенциальную проблему истощения запаса аэрозоля, характерную для систем на капиллярной основе и состоящую в уменьшении количества жидкости, доставляемой к нагревательному элементу, аналогично тому, как это происходит во фломастерах.
По сравнению с системами доставки на пьезоэлектрической основе, она является более эффективной с точки зрения энергопотребления, поскольку она использует падение давления, происходящее во время осуществления затяжек, для доставки капель жидкости к нагревателю. Она также обеспечивает возможность регулирования количества доставляемой жидкости в зависимости от режима осуществления затяжек пользователем, а не путем дозирования количества жидкости с помощью пьезоэлектрического клапана.
Вышеописанные примеры вариантов осуществления являются иллюстративными, а не ограничительными. В свете вышеописанных примеров вариантов осуществления, специалистам в данной области техники будут теперь понятны и другие варианты осуществления, соответствующие вышеописанным примерам вариантов осуществления. Например, в качестве варианта осуществления описана электрически управляемая курительная система, однако настоящее изобретение может быть применено к любому типу образующей аэрозоль системы, и могут также использоваться другие геометрические параметры каналов жидкости и воздушного потока.
1. Образующая аэрозоль система, содержащая:
впускное воздушное отверстие (18) и выпускное воздушное отверстие (24);
часть (30) для хранения жидкости, удерживающую жидкий образующий аэрозоль субстрат и имеющую выпускное отверстие (38) для жидкости;
канал (22) воздушного потока, проходящий от впускного воздушного отверстия к выпускному воздушному отверстию за выпускное отверстие для жидкости, причем этот канал воздушного потока имеет такую форму, чтобы имело место падение давления внутри канала воздушного потока в выпускном отверстии для жидкости, когда воздух протекает от впускного воздушного отверстия к выпускному воздушному отверстию через канал воздушного потока; и
нагревательный элемент (26), расположенный в канале воздушного потока между выпускным отверстием для жидкости и выпускным воздушным отверстием,
при этом нагревательный элемент перекрывает канал воздушного потока и является проницаемым для текучей среды.
2. Образующая аэрозоль система по п. 1, в которой канал воздушного потока имеет суженное поперечное сечение в выпускном отверстии для жидкости по сравнению с впускным воздушным отверстием.
3. Образующая аэрозоль система по п. 1 или 2, в которой часть для хранения жидкости обеспечивает герметизированную емкость для образующего аэрозоль субстрата, так что текучая среда не может поступать в эту емкость и выходить из нее иначе, чем через указанное выпускное отверстие для жидкости.
4. Образующая аэрозоль система по любому из предыдущих пунктов, в которой часть для хранения жидкости содержит впускной воздушный клапан (48), который при своем нахождении в открытом положении, но не в закрытом положении обеспечивает возможность поступления воздуха в часть для хранения жидкости.
5. Образующая аэрозоль система по п. 4, которая выполнена таким образом, что управление указанным клапаном осуществляется так, что он находится в закрытом положении при предварительно заданной скорости воздушного потока, протекающего через канал воздушного потока.
6. Образующая аэрозоль система по любому из предыдущих пунктов, в которой часть для хранения жидкости содержит кольцевой корпус (34), и канал воздушного потока проходит через этот кольцевой корпус.
7. Образующая аэрозоль система по любому из предыдущих пунктов, в которой выпускное отверстие для жидкости является кольцевым.
8. Образующая аэрозоль система по любому из предыдущих пунктов, в которой нагревательный элемент содержит сетку, матрицу или ткань из нагревательных нитей.
9. Образующая аэрозоль система по любому из предыдущих пунктов, содержащая источник электропитания, соединенный с нагревательным элементом, причем при использовании этот нагревательный элемент нагревается за счет резистивного нагрева.
10. Образующая аэрозоль система по любому из предыдущих пунктов, содержащая одноразовый картридж и устройство, причем картридж содержит часть для хранения жидкости.
11. Образующая аэрозоль система по п. 10, в которой картридж содержит нагревательный элемент.
12. Картридж для использования в образующей аэрозоль системе, содержащий:
впускное воздушное отверстие (18) и выпускное воздушное отверстие (24);
часть (30) для хранения жидкости, удерживающую жидкий образующий аэрозоль субстрат и имеющую выпускное отверстие (38) для жидкости; и
канал (22) воздушного потока, проходящий от впускного воздушного отверстия к выпускному воздушному отверстию за выпускное отверстие для жидкости, причем этот канал воздушного потока имеет такую форму, чтобы имело место падение давления внутри канала воздушного потока в выпускном отверстии для жидкости, когда воздух протекает от впускного воздушного отверстия к выпускному воздушному отверстию через канал воздушного потока, и
нагревательный элемент (26), расположенный в канале воздушного потока между выпускным отверстием для жидкости и выпускным воздушным отверстием,
при этом нагревательный элемент перекрывает канал воздушного потока и является проницаемым для текучей среды.
13. Способ образования аэрозоля из образующего аэрозоль субстрата, включающий в себя этапы, на которых:
обеспечивают часть (30) для хранения жидкости, имеющую выпускное отверстие (38) для жидкости;
обеспечивают канал (22) воздушного потока, проходящий за выпускное отверстие (38) для жидкости;
вытягивают жидкий образующий аэрозоль субстрат из выпускного отверстия для жидкости в воздушный поток в канале воздушного потока путем создания падения давления воздушного потока в выпускном отверстии для жидкости, и транспортируют жидкость в воздушном потоке к проницаемому для текучей среды нагревательному элементу (26), перекрывающему канал воздушного потока, при этом с помощью нагревательного элемента испаряют жидкость с образованием пара;
охлаждают пар с образованием аэрозоля.
