Электронная система образования аэрозоля и испаритель для такой системы
Изобретение относится к узлу электронной системы образования пара, который содержит источник испаряемой жидкости; и испаритель для испарения части жидкости для вдыхания пользователем, включающий в себя фитильный элемент и встроенный в него электрический нагревательный элемент, при этом фитильный элемент включает в себя лист пористого электроизолирующего материала и выполнен с возможностью впитывания жидкости из ее источника в поверхность этого фитильного элемента рядом со встроенным электрическим нагревательным элементом для обеспечения испарения. Технический результат заключается в обеспечении испарения жидкости и образования аэрозоля. 5 н. и 15 з.п. ф-лы, 12 ил.
Область техники
Изобретение относится к системе образования аэрозоля и испарителям для использования таких в системах.
Уровень техники
Системы и устройства для образования пара или аэрозоля, такие как электронные сигареты, обычно включают в себя резервуар c исходной жидкостью, возможно, содержащей никотин, и нагреватель или нагревательный элемент, запитанный от батареи и приспособленный для испарения исходной жидкости, вдыхаемой пользователем. Во время подачи исходной жидкости к нагревательному элементу для осуществления испарения может использоваться фитиль. Например, нагревательный элемент может быть проволочной спиралью, обернутой вокруг центрального фитиля.
Указанные конфигурации предназначены для подачи максимального количества испаряемой исходной жидкости при каждом вдыхании (затяжке). Это может быть достигнуто посредством повышения тепловыделения нагревательного элемента для испарения большего количества исходной жидкости во время затяжки. Уменьшение электрического сопротивления нагревателя, например, посредством использования проволоки с меньшим сопротивлением для изготовления нагревательного элемента, обеспечивает протекание большего тока при заданном напряжении батареи, увеличивая расход питания нагревателем и генерирование большего количества тепла. Однако такой подход приводит к возникновению особых проблем.
Уменьшить сопротивление можно посредством увеличения диаметра нагревательной проволоки. Более высокая скорость испарения обеспечивается за счет более высокой мощности нагревателя, поэтому фитилем должно подаваться увеличенное количество исходной жидкости; это требует использования фитиля большего размера. Однако эти факторы могут понизить эффективность из-за передачи тепла от нагревателя в материал фитиля и необходимости нагрева большей массы нагревателя.
Кроме того, достигаемые скорости создания пара могут ограничиваться скоростью, с которой пар движется во вдыхаемый воздушный поток. Испарение исходной жидкости происходит на поверхности контакта нагревателя и фитиля. В случае расположения центрального фитиля внутри спирали нагревателя пар должен двигаться от поверхности контакта за поверхность нагревателя, где он должен собираться для вдыхания. Уменьшенное сопротивление нагревателя для увеличения мощности в комбинации с ограниченной площадью поверхности контакта способствует образованию такого интенсивного пара, что пар не может испаряться достаточно быстро и вместо этого образует карманы на поверхности контакта, что препятствует контакту жидкости с нагревателем. Это уменьшает эффективность создания пара, вызывая повышение температуры нагревателя, поскольку энергия не используется для испарения. В результате может снижаться качество пара, что ведет к образованию нежелательных побочных продуктов.
Таким образом, задачей изобретения является создание других конструкций фитилей и нагревателей.
Раскрытие изобретения
Первым объектом изобретения является узел электронной системы образования пара, содержащий источник испаряемой жидкости; и испаритель для испарения части жидкости для вдыхания пользователем, включающий в себя фитильный элемент и встроенный в него электрический нагревательный элемент, при этом фитильный элемент включает в себя лист пористого электроизолирующего материала и выполнен с возможностью впитывания жидкости из ее источника в поверхность этого фитильного элемента рядом со встроенным электрическим нагревательным элементом для обеспечения испарения.
Пористый электроизолирующий материал может представлять собой пористую керамику. Пористость фитильного элемента может составлять 30 – 85%, а толщина фитильного элемента может быть меньше по меньшей мере в 50 раз наибольшего размера фитильного элемента.
Форма встроенного нагревательного элемента может иметь один или несколько изгибов, причем длина нагревательного элемента может в 2 – 20 раз превышать наибольший размер фитильного элемента. Один или несколько изгибов нагревательного элемента могут образовывать соседние участки, расстояние между центрами которых не превышает двойную ширину встроенного нагревательного элемента. Толщина фитильного компонента может составлять 105-250% ширины встроенного нагревательного элемента. Нагревательный элемент может быть встроен по существу по центру по толщине фитильного элемента. Нагревательный элемент может содержать металлическую проволоку.
Фитильный элемент может быть по существу плоским. Испаритель может удерживаться в испарительной камере посредством одной или нескольких частей фитильного элемента, проходящих через отверстия в одной или нескольких стенках испарительной камеры для прохождения в источник жидкости. Одна или несколько частей фитильного элемента, проходящих через отверстия в одной или нескольких стенках испарительной камеры, могут быть расположены с противоположных сторон этого фитильного компонента. Испаритель может удерживаться в испарительной камере так, чтобы самый тонкий профиль фитильного элемента располагался в направлении прохождения воздушного потока через испарительную камеру. Источник жидкости может содержать резервуар кольцевой формы, окружающий испарительную камеру. Стенка испарительной камеры также может быть внутренней стенкой резервуара.
Узел может представлять собой картомайзер для электронной системы образования пара.
Вторым объектом изобретения является электронная система образования пара, включающая в себя вышеуказанный узел.
Третьим объектом изобретения является способ изготовления испарителя для электронной системы образования пара, включающий в себя этапы, на которых формируют токопроводящий нагревательный элемент; размещают порошкообразный керамический материал вокруг нагревательного элемента в заданной форме для получения фитильного элемента; и спекают керамический материал для образования пористого керамического фитильного элемента со встроенным в него нагревательным элементом.
Четвертым объектом изобретения является способ изготовления испарителя для электронной системы образования пара, включающий в себя этапы, на которых формируют токопроводящий нагревательный элемент; размещают нагревательный элемент между первым и вторым слоем листового пористого электроизолирующего материала; и соединяют первый и второй слои друг с другом для формирования пористого фитильного элемента со встроенным в него нагревательным элементом.
Согласно указанному способу формирование токопроводящего нагревательного элемента может включать в себя формование металлической проволоки или нанесение токопроводящих чернил на дорожку с одним или несколькими изгибами длиной, которая в 2 – 30 раз больше наибольшего размера фитильного элемента. Один или несколько изгибов проволоки могут образовывать соседние участки, расстояние между центрами которых не превышает две ширины этой проволоки. Способы также могут включать в себя установку готового испарителя в испарительную камеру посредством прохождения одного или нескольких краев фитильного элемента через одно или несколько отверстий в стенке испарительной камеры.
Пятым объектом изобретения является электронная система образования пара, содержащая резервуар для исходной жидкости и смежную с ним испарительную камеру, выполненную с возможностью испарения исходной жидкости внутри нее, при этом в испарительной камере расположен испаритель, включающий в себя пористый керамический фитильный элемент; и металлический нагревательный элемент, встроенный в фитильный элемент и соединенный с батареей в электронном устройстве образования пара; при этом два конца фитильного элемента проходят через отверстия в стенках испарительной камеры для поддержки в ней испарителя, при этом указанные два конца проникают в резервуар для впитывания исходной жидкости и ее транспортирования к нагревательному элементу посредством капиллярного эффекта через поры в фитильном элементе.
Эти и другие особенности вариантов выполнения определены в независимых и зависимых пунктах формулы изобретения. Следует принять во внимание, что признаки зависимых пунктов могут комбинироваться друг с другом и признаками независимых пунктов в комбинациях, которые отличаются от комбинаций, ясным образом определенных в формуле изобретения. Кроме того, подход, описанный в заявке, не ограничивается конкретными вариантами выполнения, например, приведенных ниже, и включает в себя любые возможные комбинации признаков, представленных в заявке. Например, электронная сигарета, узел или испаритель может быть предложен согласно подходам, описанным в заявке, которые включают в себя один или несколько различных признаков, описанных ниже, в зависимости от ситуации.
Далее представлено подробное описание различных вариантов осуществления изобретения со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показана электронная сигарета с испарителем согласно изобретению;
на фиг. 2 - испаритель, вид в перспективе;
на фиг. 3 - испаритель по фиг. 2, вид в разрезе;
на фиг. 4a, 4b и 4c схематично показаны другие испарители, виды сверху;
на фиг. 5A - испарительная камера с испарителем, вид в перспективе в разобранном состоянии;
на фиг. 5B - испарительная камера по фиг. 5A, вид сверху;
на фиг. 6A - источник пара, содержащий испарительную камеру по фиг. 5A, вид сбоку в перспективе;
на фиг. 7 схематично показана другая испарительная камера, вид сбоку;
на фиг. 8 схематично показана другая испарительная камера, вид сбоку.
Осуществление изобретения
В описании рассмотрены/описаны аспекты и особенности определенных вариантов выполнения. Некоторые аспекты и особенности определенных примеров и вариантов выполнения могут быть применены обычным образом, и они не рассматриваются/не описываются подробно для краткости изложения. Таким образом, следует принять во внимание, что аспекты и особенности устройства и способы, которые подробно не описаны, могут быть использованы согласно обычным технологическим приемам.
Изобретение относится к системам образования аэрозоля, также именуемым как системы образования пара, таким как e-сигареты. В описании может использоваться термин «e-сигарета» или «электронная сигарета»; однако, следует принять во внимание, что этот термин может использоваться на равных основаниях с термином «система или устройство образования аэрозоля (пара)».
На фиг. 1 схематично (не в масштабе) показан пример выполнения системы образования аэрозоля/пара, такой как e-сигарета 10. Указанная e-сигарета имеет, в целом, цилиндрическую форму, проходящую вдоль продольной оси, показанной пунктирной линией (несмотря на то, что особенности изобретения относятся и к e-сигаретам, имеющим другие формы и компоновки), и содержит два основных компонента, а именно, корпус 20 и узел 30 картриджа.
Узел 30 картриджа включает в себя резервуар или источник 38 жидкости, содержащий исходную жидкость в виде жидкого состава, из которого генерируется аэрозоль, например, содержащий никотин, и нагревательный элемент или нагреватель 36 для нагрева исходной жидкости и генерирования аэрозоля. Фитильный элемент или компонент или фитиль 37 приспособлены для подачи исходной жидкости из резервуара 38 к нагревательному элементу 36. Часть или части фитиля 37 соединены по текучей среде с исходной жидкостью в резервуаре 38, при этом за счет впитывания или капиллярного эффекта исходная жидкость через фитиль 37 поступает к части или частям этого фитиля, которые контактируют с нагревателем 36. Испарение исходной жидкости происходит на границе между фитилем 37 и нагревателем 36 в результате передачи тепловой энергии исходной жидкости, что вызывает испарение и, тем самым, генерирование аэрозоля. Исходная жидкость, фитиль 37 и нагреватель 36 могут совместно называться источником аэрозоля или пара. Фитиль 37 и нагреватель 36 могут совместно именоваться как испаритель или атомайзер 15. Атомайзер/испаритель может быть расположен в камере или кожухе, который по существу изолирован от резервуара с исходной жидкостью во избежание или для ограничения утечки исходной жидкости в камеру. Фитиль создает заданную траекторию для жидкости от резервуара до нагревателя. Узел картриджа с испарителем/атомайзером, образуют узел картомайзера, причем термин «картомайзер» иногда используется в отношении указанного узла электронной сигареты.
Узел 30 картриджа также включает в себя мундштук 35 с отверстием, через которое пользователь может вдыхать аэрозоль, генерируемый испарителем 15. Аэрозоль для вдыхания может именоваться аэрозольным потоком или вдыхаемым паром. В качестве примера исходная жидкость может содержать приблизительно 1 – 3% никотина и 50% глицерина, остальное – приблизительно равные количества воды и пропиленгликоля, а также может содержать другие компоненты.
Корпус 20 включает в себя перезаряжаемый аккумулятор или батарею 14 (далее – батарея) для подачи питания к e-сигарете 10 и печатную плату (PCB) 28 и/или другую электронику для управления e-сигаретой 10. Следовательно, корпус можно рассматривать как батарейный блок, или блок управления, или узел. Во время использования, когда нагреватель 36 получает питание от батареи 14, управление печатной платой 28, возможно, в ответ на изменения давления, определяемые датчиком давления воздуха (не показан), нагреватель 36 испаряет исходную жидкость, подаваемую фитилем 37 для генерирования аэрозоля, и пользователь вдыхает этот поток аэрозоля через отверстие в мундштуке 35. Аэрозоль проходит от его источника к мундштуку 35 вдоль воздушного канала (не показан на фиг. 1), который соединяет источник аэрозоля с отверстием в мундштуке, когда пользователь делает затяжку через мундштук. С этой целью испаритель 15 может быть размещен в испарительной камере (не показана), которая располагается на траектории потока воздуха в e-сигарете 10, или иным образом соединена с указанной траекторией.
В этом конкретном примере корпус 20 и узел 30 картриджа могут отсоединяться друг от друга посредством разделения в направлении, параллельном продольной оси, как показано на фиг. 1, но во время использования соединены друг с другом посредством взаимного зацепления элементов 21, 31 (например, посредством резьбового или байонетного соединения) для обеспечения механического и электрического соединения между корпусом 20 и узлом 30 картриджа, в частности, соединения нагревателя 36 и батареи 14. Электрический соединительный интерфейс на корпусе 20, используемый для соединения с узлом 30 картриджа, также может служить в качестве интерфейса для соединения корпуса 20 с зарядным устройством (не показано), когда корпус 20 отсоединен от узла 30 картриджа. Другой конец зарядного устройства может быть вставлен во внешний источник питания, например, USB-разъем, для зарядки или перезарядки батареи 14 в корпусе 20 e-сигареты. В других вариантах выполнения может быть предусмотрен отдельный интерфейс зарядки, так чтобы батарею 14 можно было заряжать, когда она все еще соединена с узлом 30 картриджа.
Указанная e-сигарета имеет одно или несколько отверстий (не показаны на фиг. 1) для подвода воздуха, обозначенных стрелками A. Эти отверстия, выполненные в наружной стенке корпуса 20 (но которые в других примерах могут быть выполнены в наружной стенке узла 30 картриджа), сообщаются с траекторией воздушного потока, проходящей через e-сигарету 10 к мундштуку 35. Траектория воздушного потока может включать в себя чувствительную к давлению область (не показана на фиг. 1) в корпусе 20 и соединяется, начиная от корпуса 20, в узле 30 картриджа с областью (такой как испарительная камера) вокруг нагревательного элемента 36 так, что, когда пользователь делает затяжку через мундштук 35, воздух всасывается по траектории воздушного потока через одно или несколько воздушных впускных отверстий. Этот воздушный поток (или конечное изменение давления) обнаруживается датчиком давления (не показан на фиг. 1) в траектории воздушного потока, что приводит в действие нагреватель 36 (посредством печатной платы 28) для испарения части исходной жидкости на границе фитиль-нагреватель для генерирования аэрозоля. Воздушный поток проходит по траектории воздушного потока и соединяется с паром в области вокруг нагревателя 36, после чего полученный аэрозоль (комбинация воздушного потока и сконденсированного пара) движется в виде аэрозольного потока по траектории воздушного потока, соединяющего область нагревателя 36 с мундштуком 35 для вдыхания пользователем.
В некоторых примерах отсоединяемый узел 30 картриджа может быть удален после того, как исходная жидкость будет израсходована, и при необходимости может быть заменен другим узлом картриджа. В других примерах резервуар можно пополнять исходной жидкостью. Корпус 20 может многократно использоваться посредством перезарядки батареи, например, для обеспечения ее работы в течение года и более посредством соединения с комплектом отсоединяемых узлов картриджей одноразового использования. В других примерах узел картриджа и корпус могут быть одноразовыми и могут быть неразъемными друг от друга. Кроме того, расположение различных компонентов может отличаться от расположения на фиг. 1, и узел картриджа и корпус могут соединяться иным образом, например, вместо продольной компоновки, показанной на фиг. 1, они могут соединяться бок о бок. Варианты выполнения подходят для этих и других компоновок.
Согласно вариантам выполнения испарителя (атомайзера), нагревательный элемент может быть встроен внутрь пористого фитильного элемента.
На фиг. 2 показан испаритель 15 по первому варианту выполнения, вид в перспективе. Фитиль, или фитильный элемент, или компонент 37 является тонкой плоской подложкой из электроизолирующего пористого материала, такого как пористая керамика, имеющего толщину t, длину l и ширину w. Внутрь фитиля 37 встроен нагревательный элемент 36 в виде электропроводной (металлической) проволоки 39. Проволока показана воображаемой пунктирной линией для пояснения ее положения внутри фитиля. Каждый конец 36a нагревательного элемента 36 соединен на краю фитиля 37 с соединительным проводом 40, посредством которого нагревательный элемент 36 может быть соединен (посредством компоновки контактов и других электрических проводов и соединений и посредством управления с помощью печатной платы или другой управляющей электроники) с источником электропитания внутри e-сигареты, таким как батарея 14 на фиг. 1. Провода 40 и проволока 39 могут быть выполнены из одного куска проволоки или могут быть изготовлены по отдельности и затем соединены, например, сваркой (например, для удобства изготовления или для использования конкретных свойств различных проволок).
Проволока 39 нагревательного элемента имеет волнообразную или зигзагообразную форму между двумя ее концами 36a. Проволочная конструкция образует отдельную плоскость, которая расположена, по существу, посередине толщины t и по существу находится на равном расстоянии от верхней 37a и нижней 37b (со ссылкой на показанную ориентацию) поверхностей фитиля (основные поверхности). Таким образом, тепло от нагревательного элемента 36 при подаче электрического тока поступает приблизительно в равном количестве к каждой основной поверхности 37a, 37b. Если зигзаги или соседние изгибы проволоки 39 расположены близко друг к другу так, что все части фитильной подложки расположены относительно близко к проволоке, тепло может быстро поступать ко всем частям фитиля. Большее расстояние между изгибами проволоки может привести к возникновению неиспользуемого объема материала фитиля, который поглощает тепловую энергию, но не достигает достаточной температуры для испарения.
На фиг. 3 показан вид в разрезе испарителя по линии III на фиг. 2. На этой фигуре показана плотная укладка соседних участков проволоки 39 внутри объема фитиля 37. Проволока 39 занимает значительную часть общего объема испарителя. Соседние участки проволоки расположены на расстоянии d2 друг от друга, которое меньше ширины (диаметра) d1 проволоки. Таким образом, межцентровое расстояние d3 между соседними участками проволоки меньше, чем две ширины проволоки (2 x d1). Кроме того, глубина или толщина d4 материала фитиля между основными поверхностями и поверхностью проволоки меньше ширины d1 проволоки. От выбора этой толщины зависит скорость испарения; если глубина материала фитиля слишком большая, испарение будет замедленным, и с поверхности фитиля будет улетучиваться недостаточное количество пара. Изобретение не ограничивается вышеуказанными пропорциями, и могут использоваться большие или меньшие соотношения размеров. Относительные объемы и размеры нагревателя и фитиля, глубина материала фитиля, перекрывающего проволоку нагревателя, и пористость материала фитиля можно выбирать различным образом для подачи достаточного объема исходной жидкости и обеспечения отвечающей требованиям скорости испарения, позволяя пару улетучиваться с материала фитиля с достаточно большой скоростью. Например, встроенный нагреватель может иметь объем, составляющий, по меньшей мере 50% от общего объема встроенного нагревателя и фитиля (определяемого наружными размерами фитильного элемента), или 40 – 60% или 30 – 70%. Как вариант, общий объем может быть ограничен до зоны фитиля, по которой проходит нагреватель, например, центральной зоны или концевой зоны, с относительно большим количеством фитиля, проходящим за этой зону для обеспечения значительного объема фитиля, достигающего резервуара, или для достижения стенок камеры испарения, если желательно, чтобы испарение поддерживалось на удалении от стенок. Часть фитиля, внутрь которой встроен нагреватель (общий объем), можно рассматривать в качестве зоны нагрева, где происходит все испарение или большая его часть. Зона нагрева может включать в себя весь фитиль или большую его часть или только его часть.
В этом примере фитиль 37 образован из жесткого пористого керамического материала. Поры керамики обеспечивают капиллярное действие, так что, когда часть фитиля находится в жидкостной взаимосвязи с резервуаром, исходная жидкость в резервуаре втягивается через поры к проволоке 39. Когда нагреватель 37 приводится в действие, тепло передается к исходной жидкости, непосредственно контактирующей с проволокой 39, а также посредством использования материала фитиля. Полученный пар проходит через поры к поверхностям 37a, 37b фитиля и выходит в окружающий воздух, который собирается воздухом, текущим по траектории воздушного потока.
Проволока 39 встроена внутрь фитильной подложки 37. Термин «встроена» означает, что материал фитиля полностью покрывает и контактирует по существу со всей наружной поверхностью проволоки, находящейся внутри объема фитиля (за исключением зазоров, где поры в материале фитиля находятся непосредственно рядом с проволокой). В каждом сечении в осевом направлении проволоки пористый керамический материал контактирует с проволокой по всей ее окружности; проволока целиком окружена материалом фитиля. Этот контакт между проволокой и фитилем является поверхностью контакта, на которой происходит образование большей части пара, поэтому компоновка со встроенной проволокой максимально увеличивает площадь поверхности контакта для заданной длины проволоки и значительно увеличивает площадь поверхности контакта по сравнению с компоновками испарителей, в которых проволочная спираль нагревателя обернута, например, вокруг центрального фитиля. Более тонкая проволока с большим числом зигзагов или изгибов (для увеличения длины) может обеспечить большую площадь поверхности, но может потребоваться обеспечение баланса в отношении предпочтительного меньшего сопротивления и более высокого выхода мощности более толстой проволоки.
Несмотря на то, что компоновка с полностью встроенной проволокой, в которой материал фитиля полностью покрывает проволоку, позволяет получить максимальную контактную поверхность испарения, конфигурацию с частично встроенной проволокой, в которой нагревательный элемент по меньшей мере частично не покрыт с одной или обеих основных поверхностей фитильной подложки, в некоторых случаях можно рассматривать как пригодную.
Нагревательный элемент в виде проволоки 39 между двумя концами 36a может быть изготовлен в любой форме. Форма, максимально увеличивающая длину проволоки, которая может быть размещена внутри объема фитиля, позволяет получить наибольшую контактную поверхность испарения; это может быть достигнуто посредством любой сложной траектории между указанными двумя концами. Такая траектория имеет нелинейную форму. Например, форма может быть угловой или криволинейно изогнутой, угловым или криволинейным зигзагом, или угловой или криволинейной спиралью, и форма может быть правильной (повторяющейся) или неправильной. Множество поворотов, изгибов или углов, входящих в состав формы, увеличивает ее длину. В некоторых вариантах выполнения длина встроенного электропроводного нагревательного элемента между его двумя концами в несколько или во много раз длиннее наибольшего размера фитильного элемента, благодаря множеству поворотов, изгибов, углов или складок по длине нагревательного элемента. Например, нагревательный элемент может иметь длину, которая равна 2 – 20 длинам или 5 – 10 длинам наибольшего размера (края) фитильного элемента. Два конца могут быть расположены на краевой поверхности фитиля (тот же самый край, что и на фиг. 2, или другие края) или на одной или обеих основных поверхностях (что может быть удобно для спиральной или другой формы, где нагревательный элемент оканчивается далеко от края фитиля). Соседние участки проволоки могут быть расположены настолько близко друг к другу, насколько это позволяют выбранные процессы производства и материалы для изготовления испарителя, для максимального увеличения длины используемой проволоки. Однако следует принять меры предосторожности, чтобы никакие части проволоки не прикасались друг к другу внутри фитиля во избежание короткого замыкания. Однако сложная форма не является обязательной, и проволока может быть, по существу, прямой (линейной) или слегка изогнутой между двумя ее концами, если предполагается, что подаваемая мощность нагрева является достаточной, или предпочтительным является использование удлиненного фитиля. В таком случае длина нагревательного элемента может быть равна, например, 1 – 2 длинам наибольшей стороны фитиля.
На фиг. 4a, 4b и 4c схематично показаны виды сверху различных примеров испарителей с проволоками нагревательных элементов, имеющими различные формы. На фиг. 4a показан квадратный фитильный элемент 37 и нагревательная проволока 39, расположенная в виде двойной спирали так, что оба конца 36a могут быть расположены на одном крае фитиля. Для упрощения чертежа соединительные провода не показаны. На фиг. 4b показаны прямоугольный фитильный элемент 37 и нагревательная проволока 39 угловой формы, множество раз сложенная сама на себя. Концы 36a расположены на разных краях фитиля 37. На фиг. 4c показаны прямолинейный фитильный элемент 37 с длиной, во много раз превышающий его ширину, и нагревательную проволоку 39, выполненную в форме одной прямой линии между двумя концами 36a на противоположных коротких краях фитиля 37.
Нагревательный элемент необязательно должен быть выполнен из электропроводной проволоки (например, посредством гибки). Соответствующая форма, которая образует токопроводящую дорожку требуемой длины, может быть получена штамповкой, резкой или прессованием из металлического листа, или, например, металлическая лента (а не проволока) может быть изогнута для получения требуемой формы.
Пригодные токопроводящие материалы для нагревательного элемента включают в себя резистивный металл, например, нихром, сталь, титан или другие металлы и металлические сплавы. Также могут быть использованы другие материалы, такие как токопроводящие чернила (на неметаллической или металлической основе), используемые для нанесения печати, рисунка или размещения вдоль дорожки требуемой формы.
Фитильный элемент может иметь различные свойства. Он образован из пористого материала для обеспечения впитывающего или капиллярного эффекта для всасывания исходной жидкости через фитиль из резервуара исходной жидкости (где фитиль контактирует с исходной жидкостью в месте контакта) к контактной поверхности испарения. Пористость обеспечивается множеством взаимосвязанных или частично взаимосвязанных пор (отверстий или пустот), присутствующих в материале и выходящих на наружную поверхность материала. Может быть обеспечен любой уровень пористости в зависимости от материала, размера пор и требуемой скорости впитывания. Например, может быть выбрана пористость 30 – 85%, например, 40 – 70%, 50 – 80%, 35 – 75% или 40 – 75%. Это может быть среднее значение пористости для всего фитильного элемента, поскольку пористость может быть постоянной по всему фитилю. Например, размер пор в месте контакта в резервуаре может отличаться от размера пор ближе к нагревателю.
Фитильный элемент имеет по существу тонкую ровную форму. Например, он может быть листом, пленкой, подложкой или т.п. Это означает, что толщина фитиля (размер t на фиг. 2) меньше или значительно меньше по меньшей мере его длины (l на фиг. 2) или ширины (w на фиг. 2). Таким образом, толщина фитиля (его наименьший размер) меньше или намного меньше его наибольшего размера. Это позволяет размещать нагревательный элемент рядом с основными поверхностями фитиля на небольшой глубине залегания нагревательного элемента относительно основных поверхностей фитиля. Эта толщина может быть по существу постоянной. Например, скорость впитывания можно изменять посредством уменьшения или увеличения толщины в месте контакта в резервуаре по сравнению с остальным фитилем. Фитиль может быть плоским, как на фиг. 2 и 3, но его форма этим не ограничивается. Термин «ровный» обозначает топологическую характеристику в том смысле, что фитиль может образовывать криволинейную поверхность, такую как цилиндр (труба), желоб или сегмент сферической поверхности или другую тарельчатую форму. Толщина фитиля может составлять, например, 105 – 250% толщины нагревательного элемента (например, диаметра проволоки, используемой в качестве нагревательного элемента), например, 105 – 200%, или 105 – 150%, или 110 – 200%, или 110 – 150%, или 120 – 200%, или 120 – 150%. Толщина фитиля может быть, например, в 50 – 200 раз меньше наибольшего размера фитиля (как правило, длины). Например, длина l может быть больше толщины t в 50 – 150 раз или 50 – 100 раз, или 50 – 150 раз, или 100 – 150 раз, или 100 – 200 раз. В качестве примера, фитиль может быть прямоугольным с длиной l, равной 5 – 15 мм, шириной w, равной 5 – 15 мм, и толщиной t, слегка превышающей толщину проволоки 0,1 мм, например, 0,12 – 0,2 мм. Однако изобретение этим не ограничивается, и могут быть использованы другие размеры, формы и пропорции фитиля.
Пригодно, если фитиль имеет достаточную жесткость, так чтобы он поддерживал себя в требуемом положении внутри источника пара. Например, он может быть расположен на одном или двух краях или рядом с ними для поддержания положения без изгиба. Жесткость может быть обусловлена материалом фитиля и выбранной толщиной фитиля (так чтобы соответствующая толщина использовалась для обеспечения этой характеристики), причем фитиль должен обеспечивать поддержку встроенного в него нагревателя. В других примерах определенная жесткость конструкции может быть определена самим нагревателем так, чтобы нагреватель способствовал поддержке установленного фитиля в заданном положении. Общая жесткость может быть основана на комбинации жесткости фитиля и нагревательного элемента или на жесткости только одного фитиля. Термин «жесткий» означает, что фитиль или испаритель является по существу негибким или непластичным.
В качестве примера пористая керамика является пригодным материалом для использования в качестве фитильного элемента. Можно использовать любую керамику, имеющую соответствующую пористость. Однако изобретение этим не ограничивается, и можно использовать любой электроизолирующий материал, имеющий такие же или исходные свойства или характеристики. В целом, пористый материал следует рассматривать в качестве «сплошного» или «твердого» материала в отличие от «мягких» тканевых и волокнистых материалов, таких как хлопок и другие волокна, которые часто используют в известном уровне техники в качестве фитилей и для впитывания исходной жидкости вместо резервуара со свободно текущей жидкостью. В этом контексте сплошной фитильный материал является по существу несжимаемым.
Испаритель такого вида, который описан в этой заявке, может быть изготовлен простым образом. Если в качестве пористого фитильного материала выбирают пористую керамику, она может быть доступна в форме порошка, из которого можно получить твердое тело посредством спекания (нагрева с обеспечением слипания, возможно, под действием прикладываемого давления). Таким образом, сначала может быть изготовлен нагревательный элемент (например, посредством изгибания проволоки для придания ей соответствующей формы), после чего вокруг нагревательного элемента можно нанести керамический порошок для получения требуемой формы, например, посредством заполнения пресс-формы, в которой подвешен или иным образом расположен нагревательный элемент. Далее в результате спекания керамика затвердевает, образуя пористый фитиль со встроенным в него нагревательным элементом. Изготовление испарителя посредством формирования и придания профиля фитильному элементу из фитильного материала вокруг нагревательного элемента позволяет получить компоновку со встроенным нагревательным элементом, обеспечивая плотный контакт между нагревательным элементом и фитилем на поверхности контакта, где происходит испарение.
Как вариант, испаритель может быть образован из двух отдельных слоев фитильного материала с нагревательным элементом, помещенным между двумя слоями. После укладки слоев стопкой слои фитиля могут быть скреплены вокруг нагревательного элемента посредством склеивания, сварки или других способов соединения, соответствующих выбранному фитильному материалу. Слои фитиля могут быть одинаковой толщины или разной толщины. Нагревательному элементу может быть предварительно придана требуемая форма, как указано выше, или, в случае токопроводящих чернил, на поверхность одного слоя фитиля может быть нанесен рисунок или печать перед соединением со вторым слоем фитиля.
Испаритель согласно изобретению можно использовать совместно с резервуаром со свободно текущей исходной жидкостью (хотя он может быть скомбинирован с резервуаром такого типа, который образован из мягкого пористого материала, такого как хлопок, смоченного исходной жидкостью). Возможно, что испаритель будет помещен внутри испарительной камеры, которая сообщается с каналом воздушного потока или образует часть канала воздушного потока в электронной сигарете, но которая, по существу, герметизирована от попадания свободно текущей жидкости из соседнего резервуара. Фитиль испарителя образует траекторию для исходной жидкости для входа в испарительную камеру; это достигается посредством того, что часть фитиля (например, один или несколько краев) проходят через стенку камеры в резервуар. Вокруг фитиля, в том месте, где он пересекает стенку, может быть расположено уплотнение для ограничения утечки в камеру. Часть фитиля, включающая в себя встроенный нагревательный элемент, находится внутри камеры, так что воздух, протекающий по каналу воздушного потока, может захватывать испаряемую исходную жидкость, испускаемую из испарителя, когда нагревательный элемент приведен в действие (электрический ток проходит через нагревательный элемент).
На фиг. 5A показан пример испарительной камеры 50, вид сбоку в перспективе. Камера 50 имеет стенки, определяемые полой трубкой 52 (цилиндрической в этом примере, но при необходимости можно использовать формы другого сечения). Трубка 52 является частью траектории воздушного потока в электронной сигарете, и аэрозольный поток, несущий испаряемую исходную жидкость, выходит из конца трубки, как показано стрелкой A, и поступает в следующую часть траектории воздушного потока для перемещения к мундштуку электронной сигареты (не показан). На нижнем конце (как показано) трубка 52 уплотнена посредством соединения с основным элементом 54 (обозначенным маленькой стрелкой). Основной элемент 54 имеет резьбовой соединитель 56 для механического и электрического соединения с батарейным блоком (не показан). Основной элемент 54 имеет впуск 58 воздуха, посредством которого воздух втягивается в испарительную камеру 50, когда пользователь затягивается электронной сигаретой. Один или несколько впусков 58 могут быть предусмотрены в других местах, а не в отдельном основном элементе 54, и они могут быть оснащены регулировочным механизмом для изменения подачи воздуха в электронную сигарету. Основной элемент 54 необязательно должен быть отделен от трубки 52; два компонента могут быть образованы как одно целое.
Испаритель 15 согласно изобретению расположен внутри испарительной камеры 50. Фитильный элемент испарителя 15 имеет продолговатую форму (прямоугольную в этом примере), длина которой больше ширины (диаметра) трубки 52. Таким образом, фитиль проходит по всей ширине трубки и за нее, так что противоположные концевые участки 16 фитиля проходят через стенки трубки в уплотненной конфигурации и расположены снаружи испарительной камеры 50. Таким образом, испаритель подвешен поперек испарительной камеры. Один конец 16 показан на фиг. 5A и выступает из стенки камеры. Электрические соединительные провода 40 соединены с нагревательным элементом на частях фитиля внутри камеры, так что они могут быть соответствующим образом соединены с основным элементом 54 для получения тока от батареи через резьбовой соединитель 56. Таким образом, воздух, втягиваемый через впуск 58, проходит по испарителю 15 и за него, когда он движется по трубке 52, собирая пар для образования аэрозольного потока.
На фиг. 5B показана испарительная камера, вид при взгляде в трубку 52 по её длине. На указанной фигуре показан испаритель 15, установленный через противоположные отверстия в стенках трубки, так что центральная часть 17 расположена внутри камеры и проходит полностью поперек трубки 52, и ее противоположные концы 16 расположены снаружи камеры. Выступающие концы имеют длину до 2 мм, например 1 – 2 мм.
Концы фитиля расположены так, что они выступают через стенки испарительной камеры и могут переносить исходную жидкость к нагревательному элементу. Это достигается посредством размещения резервуара для исходной жидкости снаружи испарительной камеры.
На фиг. 6A показаны в перспективе части источника пара, содержащего резервуар, испарительную камеру 50 и испаритель 15 по фиг. 5A. Имеется наружная трубка 60 большей ширины (диаметра), чем трубка 52, образующая стенки испарительной камеры, причем ее размеры позволяют устанавливать эту трубку поверх и вокруг трубки 52, как показано стрелкой, с образованием кольцевого пространства между внутренней стороной наружной трубки 60 и наружной стороной внутренней трубки 52. Наружная трубка 60 может образовывать часть наружной поверхности электронной сигареты. Наружная трубка 60 соединена с основным элементом 54 испарителя, который уплотняет первый (нижний, как показано) конец кольцевого пространства. Наружная трубка 60 на втором (верхнем, как показано) конце закрыта верхней стенкой 61, через которую проходит выпускная трубка 62, сообщающаяся посредством воздушного потока с внутренней стороной внутренней трубки 52, чтобы аэрозольный поток выходил из испарительной камеры. Выпускная трубка 62 может образовывать мундштук электронной сигареты или может быть промежуточной отрезком траектории воздушного потока, который ведет к мундштуку.
Кольцевое пространство, ограниченное между наружной и внутренней трубками 60 и 52 уплотнено и является герметичным. Оно образует резервуар для свободно текущей исходной жидкости, которая выходит из резервуара только за счет капиллярного действия по фитилю испарителя 15 (предусмотрено отсутствие случайных или непредвиденных утечек). Выступающие концы 16 фитиля находятся внутри резервуара, поглощая исходную жидкость, которая хранится в резервуаре.
На фиг. 6B показан в перспективе источник пара по фиг. 6A в собранном состоянии, когда наружная трубка 60 установлена поверх внутренней трубки 52 и соединена с основным элементом 54, ограничивая резервуар 64 в кольцевом пространстве. В этом примере наружная трубка 60 образует наружную сторону электронной сигареты и выполнена из прозрачного материала так, что через нее видны внутренняя трубка 52 и испаритель 15. Эта особенность также обеспечивает видимость исходной жидкости в резервуаре, поэтому пользователь может контролировать количество оставшейся исходной жидкости. В других примерах наружная трубка 60 может быть выполнена из непрозрачного материала и/или может иметь вокруг себя кожух, так чтобы не было видно содержимое резервуара.
Устройство на фиг. 6A и 6B показано только в качестве примера, и испаритель может быть установлен в испарительной камере любым образом, так чтобы по меньшей мере одна часть испарителя могла достигать резервуара для впитывания исходной жидкости. Фитиль может проходить полностью или частично через испарительную камеру. Как концы, так и края (один или несколько) могут проходить через стенку (стенки) камеры. Для этого могут использоваться противоположные концы или края или соседние концы или края. Прохождение через стенку (стенки) обеспечивает опору для испарителя, и уровень его жесткости может определять количество используемых краев. Кроме того, скорость, с которой исходная жидкость должна передаваться фитилем от резервуара к нагревательному элементу, определяет часть фитиля, которая должна проходить в резервуар. Два или более противоположных или несмежных концов или краевых частей обеспечивают преимущество, поскольку это увеличивает вероятность контакта между фитилем и исходной жидкостью, когда резервуар частично опорожнен, например, когда электронную сигарету удерживают под углом. Испаритель может быть установлен так, чтобы плоскость фитиля была перпендикулярна основному направлению воздушного потока через испарительную камеру (как на фиг. 5A, 5B и 6A, 6B). Как вариант, он может быть установлен в плоскости, параллельной направлению воздушного потока (испаритель на фиг. 5A должен быть повернут на 90° относительно продольной оси), создавая тем самым наименьший (самый тонкий или самый узкий) профиль фитильного элемента по отношению к воздушному потоку, проходящему через камеру. Параллельная компоновка позволяет установить в испарительной камере испаритель большего размера с меньшим препятствием воздушному потоку (что будет влиять на «тягу», ощущаемую пользователем, выполняющим затяжку). Фактически, параллельная установка позволяет получить площадь фитиля внутри испарительной камеры, равную размеру площади продольного сечения камеры, максимально увеличивая поверхность, пригодную для подачи пара, и, тем самым, производство аэрозоля на затяжку.
На фиг. 7 схематично показана испарительная камера с параллельно установленным испарителем; ориентация «края сбоку» позволяет получить большую площадь поверхности фитиля внутри камеры, а также небольшой профиль в направлении A воздушного потока. Два края 16 фитиля, параллельные направлению воздушного потока, выступают через стенки камеры для контакта с исходной жидкостью в окружающем резервуаре.
В качестве другого примера фитиль может иметь форму трубки и может быть установлен в испарительной камере в ориентации «концы сбоку» («края сбоку») по отношению к направлению воздушного потока так, чтобы через него протекал воздух. Для прохождения через стенки камеры в резервуаре может быть выполнено одно или несколько радиальных плеч. Формирование фитиля из спеченной пористой керамики обеспечивает гибкость формы фитиля, что позволяет получать более сложные формы, как в этом примере.
На фиг. 8 схематично показана испарительная камера с трубчатым испарителем 15, установленным через отверстия в стенке камеры 52 посредством пористых радиальных плеч 18, оканчивающихся концевыми частями 16, которые могут достигать окружающего резервуара.
Резервуар необязательно должен быть выполнен в виде кольцевого пространства вокруг испарительной камеры. Он может быть расположен рядом с камерой, а не вокруг нее, так чтобы резервуар и камера имели конфигурацию «бок о бок» или «сверху и снизу». В таком случае, вероятно, только один конец или край фитиля будет достигать резервуара, но криволинейная форма фитиля позволила бы получить большее количество таких краев. В любой конфигурации резервуар может быть расположен непосредственно рядом с испарительной камерой (соответственно, они разделяются одной или несколькими стенками, так что резервуар и камера расположены на противоположных сторонах общей стенки). Однако это не является определяющим, и может быть предусмотрено пространство между резервуаром и испарительной камерой, перекрытое частью фитиля. Ни испарительная камера, ни резервуар не ограниваются цилиндрическими стенками; для получения любого из объемов можно использовать любую форму.
Описанный испаритель может входить в состав блока картомайзера электронной сигареты. Однако изобретение не ограничивается этим, испаритель может входить в состав электронной сигареты другим образом и размещаться в той части, которая может быть приспособлена для одноразового использования, и может быть приспособлен для отсоединения пользователем от другой части или частей электронной сигареты. В целом, испаритель расположен внутри узла электронной сигареты, причем этот узел может быть картомайзером, и может быть отделен от остальной части электронной сигареты.
Согласно варианту выполнения узел для электронной системы образования пара содержит: резервуар для хранения исходной жидкости; испарительную камеру, имеющую внутреннюю сторону, сообщающуюся с траекторией воздушного потока в узле картриджа; и испаритель, содержащий: пористый фитильный элемент толщиной, по меньшей мере в 50 раз меньше наибольшего размера фитиля, например в 50 – 200 раз меньше наибольшего размера фитиля; и нагревательный элемент, встроенный в фитильный элемент и соединяемый с источником электропитания; причем испаритель поддерживается в испарительной камере одной или несколькими частями фитильного элемента, проходящими через отверстия в стенке испарительной камеры, причем указанные одна или несколько частей проходят в резервуар, так что исходная жидкость в резервуаре транспортируется посредством впитывания через фитильный элемент к нагревательному элементу.
Различные описанные варианты выполнения служат только для лучшего понимания и изучения заявленных признаков. Эти варианты выполнения представляют собой только типичные образцы и не являются исчерпывающими и/или исключающими. Следует принять во внимание, что преимущества, варианты выполнения, примеры, функции, отличительные признаки, структуры и/или другие особенности изобретения не должны рассматриваться как ограничения объема изобретения, определяемого формулой изобретения, или ограничения эквивалентов формулы изобретения, и что могут быть использованы другие варианты выполнения, и могут быть выполнены модификации без отклонения от объема формулы изобретения. Различные варианты выполнения могут соответственно содержать, состоять или по существу состоять из различных комбинаций раскрытых элементов, компонентов, отличительных признаков, частей, этапов, средств и т.д., отличающихся от специально раскрытых в описании. Кроме того, описание может подразумевать другие изобретения, которые не заявлены в настоящий момент, но могут быть заявлены впоследствии.
1. Узел электронной системы образования пара, содержащий
источник испаряемой жидкости; и
испаритель для испарения части жидкости для вдыхания пользователем, включающий в себя фитильный элемент и встроенный в него электрический нагревательный элемент, при этом фитильный элемент включает в себя лист пористого электроизолирующего материала и выполнен с возможностью впитывания жидкости из ее источника в поверхность этого фитильного элемента рядом со встроенным электрическим нагревательным элементом для обеспечения испарения.
2. Узел по п. 1, в котором пористый электроизолирующий материал представляет собой пористую керамику.
3. Узел по любому из пп. 1 или 2, в котором пористость фитильного элемента составляет от 30 до 85%.
4. Узел по любому из пп. 1-3, в котором толщина пористого элемента по меньшей мере в 50 раз меньше наибольшего размера фитильного элемента.
5. Узел по любому из пп. 1-4, в котором форма встроенного нагревательного элемента имеет один или несколько изгибов, причем длина нагревательного элемента в 2- 20 раз превышает наибольший размер фитильного элемента.
6. Узел по п. 5, в котором один или несколько изгибов нагревательного элемента образуют соседние участки, расстояние между центрами которых не превышает двойную ширину встроенного нагревательного элемента.
7. Узел по любому из пп. 1-6, в котором толщина фитильного элемента составляет 105-250% ширины встроенного нагревательного элемента.
8. Узел по любому из пп. 1-7, в котором нагревательный элемент встроен по существу по центру по толщине фитильного элемента.
9. Узел по любому из пп. 1-8, в котором нагревательный элемент содержит металлическую проволоку.
10. Узел по любому из пп. 1-9, в котором фитильный элемент является по существу плоским.
11. Узел по любому из пп. 1-10, в котором испаритель удерживается в испарительной камере посредством одной или нескольких частей фитильного элемента, проходящих через отверстия в одной или нескольких стенках испарительной камеры для прохождения в источник жидкости.
12. Узел по п. 11, в котором одна или несколько частей фитильного элемента, проходящих через отверстия в одной или нескольких стенках испарительной камеры, расположены с противоположных сторон этого фитильного элемента.
13. Узел по п. 12, в котором испаритель удерживается в испарительной камере так, что самый тонкий профиль фитильного элемента расположен в направлении прохождения воздушного потока через испарительную камеру.
14. Узел по любому из пп. 11-13, в котором источник жидкости содержит резервуар кольцевой формы, окружающий испарительную камеру.
15. Узел по п. 14, в котором стенка испарительной камеры также является внутренней стенкой резервуара.
16. Узел по любому из пп. 1-15, представляющий собой картомайзер для электронной системы образования пара.
17. Электронная система образования пара, содержащая узел по любому из пп. 1-16.
18. Способ изготовления испарителя для электронной системы образования пара, включающий в себя этапы, на которых:
формируют токопроводящий нагревательный элемент;
размещают порошкообразный керамический материал вокруг нагревательного элемента в заданной форме для получения фитильного элемента; и
спекают керамический материал для образования пористого керамического фитильного элемента со встроенным в него нагревательным элементом.
19. Способ изготовления испарителя для электронной системы образования пара, включающий в себя этапы, на которых:
формируют токопроводящий нагревательный элемент;
размещают нагревательный элемент между первым и вторым слоями листового пористого электроизолирующего материала; и
соединяют первый и второй слои друг с другом для формирования пористого фитильного элемента со встроенным в него нагревательным элементом.
20. Электронная система образования пара, содержащая резервуар для исходной жидкости и смежную с ним испарительную камеру, выполненную с возможностью испарения исходной жидкости внутри нее, при этом в испарительной камере расположен испаритель, включающий в себя:
пористый керамический фитильный элемент; и
металлический нагревательный элемент, встроенный в фитильный элемент и соединенный с батареей в электронном устройстве образования пара; при этом
два конца фитильного элемента проходят через отверстия в стенках испарительной камеры для поддержания в ней испарителя, при этом указанные два конца проникают в резервуар для впитывания исходной жидкости и ее транспортирования к нагревательному элементу посредством капиллярного эффекта через поры в фитильном элементе.
